atp edition Mensch-Roboter-Kooperation (Vorschau)

7-8 / 2011

53. Jahrgang B3654

Oldenbourg Industrieverlag

Automatisierungstechnische Praxis

Vergleichende Bewertung

von Anlagenkonzepten | 30

Testen verteilter

Automatisierungssysteme | 38

Modellgestützte

Modernisierungsplanung | 46

Mensch-Roboter-Kooperation | 54

Beschreibung mechatronischer

Objekte durch Merkmale | 62

editorial

„Die Zukunft kommt –

ganz automatisch“

So lautet der Titel unserer Broschüre, die wir im Rande des Kongresses Automation

2011 in Baden-Baden erstmalig vorgestellt haben. Sie ist nicht gedacht

für Ingenieure der Automatisierungstechnik – auch nicht für Experten anderer

Fachrichtungen. Mit der Broschüre sprechen wir Menschen aus der „allgemeinen“

Öffentlichkeit an, um für sie ein positives Bild der Automation zu zeichnen

und den vielfältigen Nutzen für jeden von uns nachvollziehbar und allgemein

verständlich aufzuzeigen. Wir leisten damit einen weiteren Beitrag zu unserem

Thesenpapier „Automation 2020“, welches wir vor zwei Jahren veröffentlicht

haben. Unsere – unverändert gültigen – Thesen lauten:

1 | Automation leistet einen wesentlichen Beitrag zur Bewältigung

anstehender gesellschaftlicher Herausforderungen.

2 | Automation steht für „Technik mit dem Menschen für den Menschen“.

3 | Automation ist Leitdisziplin für die Entwicklung, Optimierung

und Anwendung neuer Produkte, Verfahren und Technologien.

Wir haben uns gefragt, an welchen Stellen im alltäglichen Leben Automation eine

wichtige Rolle spielt und beispielhaft erklärt werden kann. Wir alle sind es heute

gewohnt, mit Geräten und Automaten unterschiedlichster Art nahezu selbsverständlich

umzugehen. Wir erwarten geradezu, dass uns Arbeiten abgenommen

werden, dass wir uns sicher fühlen und an vielen Stellen unterstützt werden. Dies

beginnt im normalen Tagesablauf schon mit dem bequemen temperaturgeregelten

Duschen und dem frischen Kaffee aus der Kaffeemaschine. Im Auto auf dem Weg

zur Arbeit nehmen wir die vielen automatischen Funktionen kaum noch wahr:

Zündung, Automatikgetriebe, ABS, ESP, Überwachung des Toten Winkels, aktive

Geschwindigkeitsregelung und so fort. Beim Einfahren in die Tiefgarage erwarten

wir, dass unsere Parkkarte erkannt wird und dass sich die Schranke automatisch

für uns öffnet. Die hier genannten Beispiele sind ohne Automation undenkbar.

Wir alle als Leser der atp edition wissen das.

Wie aber vermitteln wir das unserem Nachbarn oder unserer Nachbarin? Die

Antwort lautet: Mit Beispielen. Mit Bildern. Mit einfachen, zur Zielgruppe passenden

Texten und Aussagen.

Unsere Ergebnisse finden Sie in der GMA-Broschüre „Die Zukunft kommt ganz

automatisch“ und auch unter www.ganz-automatisch.de. Gern können Sie Broschüren

bei der GMA-Geschäftsstelle unter gma@vdi.de bestellen.

Nutzen auch Sie die Publikation, beispielsweise im Bekannten- und Familienkreis,

in Schulklassen, bei öffentlichen Veranstaltungen. Letztlich hilft Ihnen

die Broschüre auch bei der Erklärung dessen, was Sie in Ihrem Berufsalltag

machen.

Nun aber darf ich Ihnen beim Studium der aktuellen atp-edition viel Freude

wünschen. Die Hauptbeiträge dieser Ausgabe entstammen fast alle dem diesjährigen

Kongress Automation 2011 – unserem jährlichen Netzwerk-Event für die

Anwender, Hersteller und Forschungseinrichtungen der Automation, das auch

in diesem Jahr ein voller Erfolg war. Ihnen allen, die daran beteiligt waren

danke ich herzlich und freue mich bereits heute auf unser nächstes Treffen am

13. und 14. Juni 2012.

Dr. Kurt D.

Bettenhausen

Vorsitzender der VDI/VDE-

Gesellschaft Mess- und

Automatisierungstechnik (GMA)

www.automatisierungskongress.de

atp edition

7-8 / 2011

3

Inhalt 7–8 / 2011

Forschung

06 | Nano-Magnetschalter bauen sich dank Trick

aus der Natur selbst zusammen

Wie ein ungelöstes Problem aus der Codierungstheorie

RFID-Chips sicherer macht

07 | Neue Steuerung ermöglicht Kombination aus Industrierobotern

und mobilem Laserscanner

Vom Internet der Dinge zum Internet der Dienste –

Fraunhofer schafft in München sichere Systeme

Verband

08 | VDI ehrt Fraunhofer-Chef Hans-Jörg Bullinger

VFAale wandelt sich um zum Trägerverein

09 | Fachverband für Sensorik wählt Vorstand wieder

IT-orientierte Hersteller engagieren sich immer stärker

im ZVEI-Fachverband Energietechnik

branche

10 | Mario Hoernicke und Andreas Wiesner erhielten den atp Award

für die besten Veröffentlichungen

Querschnittsthema funktionale Sicherheit:

VDE stellt Informationen gebündelt zur Verfügung

11 | Prozessleittechnik: Namur-Hauptsitzung stellt die Trends

und Herausforderungen der Zukunft vor

Cyril Perducat bleibt Vorstandschef der ODVA

12 | Wireless-Einsatzszenarien für Stellgeräte in der Prozessautomation

16 | Berührungslose Sensoren sparen Kosten und steigern

die Sicherheit der Kraftwerksteuerung

26 | IEC 61508: So entwickeln Anfänger normgerechte Komponenten

4

atp edition

7–8 / 2011

anche | Special industrial ethernet

20 | Parallel Redundancy Protocol und High Availability Seamless

Redundancy sichern doppelt ab

24 | Mit Ethernet auf dem Teppich geblieben:

Hersteller rüstet Färbelinie auf neue Technologie um

Hauptbeiträge | Automation 2011

30 | Vergleichende Bewertung von Anlagenkonzepten

Dr.-Ing. E. Roos

38 | Testen verteilter Automatisierungssysteme

E. Noak, S. JovalekiC, B. Rist

46 | Modellgestützte Modernisierungsplanung

M. Strube, A. Fay, S. Truchat, H. Figalist

54 | Mensch-Roboter-Kooperation

Dipl.-Ing. C. Thomas, Prof. Dr.-Ing. B. Kuhlenkötter,

Dipl.-Ing. F. Busch, Prof. Dr.-Ing. J. Deuse

62 | Beschreibung mechatronischer Objekte durch Merkmale

J. Prinz, A. Lüder, N. Suchold, R. Drath

70 | Synergien zwischen Medizin- und Automatisierungstechnik

K.-H. Niemann, O.Schmerling, F. Lüllau

Praxis

78 | Drahtlose Ortungssysteme maßgeschneidert:

mobile Betriebsmittel per RFID überwachen

80 | Sichere Verbindung in jeder Umgebung

rubriken

3 | Editorial

66 | Impressum, Vorschau

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forschung

Nano-Magnetschalter bauen sich dank Trick

aus der Natur selbst zusammen

Die Arbeit mit riesigen Mengen magnetisch gespeicherter

Daten, etwa auf Festplatten, gehört zum Alltag.

Elektronische Bauteile mit hoher Empfindlichkeit

sind dafür die Basis.

Um die Datenkapazitäten zu erhöhen, sind noch kleinere

Bauteile notwendig. Teilweise gibt es für die Herstellung

dieser winzigen Teile jedoch keine Werkzeuge mehr.

Die Lösung: Man bringt die Einzelteile dazu, sich eigenständig

zu dem gewünschten Produkt zusammenzufügen.

Das Forscherteam um Professor Mario Ruben vom Institut

für Nanotechnologie (INT) am Karlsruher Institut für

Technologie (KIT) hat sich für die Produktion eines Nano-

Magnetschalters einen Trick bei der Natur abgeschaut: Die

Wissenschaftler brachten synthetische Haftgruppen so an

Magnetmoleküle an, dass diese von selbst an der richtigen

Position auf einer Nanoröhre andocken. In der Natur entsteht

in einem ähnlich selbst-organisierenden Prozess

beispielsweise ein grünes Blatt – ohne den Eingriff einer

übergeordneten Instanz.

Den Nano-Magnetschalter hat ein europäisches Team

aus Wissenschaftlern des Centre National de la Recherche

Scientifique (CNRS) in Grenoble und des Institut de Physique

et Chimie des Matériaux der Universität Straßburg

und des INT gemeinsam konstruiert. Der Schalte besteht

nicht aus konventionellen anorganischen Materialien wie

Silizium, Metallen oder Oxiden, sondern aus weichen

Materialien wie Kohlenstoffnanoröhren und Molekülen.

Magnetisch ist ein einzelnes Metallatom, Terbium, welches

in organisches Material eingebettet wird. Das Terbium

reagiert hochempfindlich auf externe Magnetfelder.

Die Information, wie dieses Atom sich entlang eines solchen

Magnetfeldes ausrichtet, wird sehr effektiv an den

durch die Nanoröhre fließenden Strom weitergegeben.

So gelang es der CNRS-Forschungsgruppe um Dr. Wolfgang

Wernsdorfer in Grenoble, den Magnetismus im Umfeld

des Nano-Schalters elektrisch auszulesen. Dies ermöglicht

prinzipiell den Zugang zu höheren Speicherdichten.

Es öffnet zugleich Tore zu wesentlich leistungsfähigeren

Methoden der Informationsverarbeitung,

beispielsweise in Quantencomputern. Das Konsortium

arbeitet nun darauf hin, die Arbeitstemperaturen des Bauteiles

in naher Zukunft von -272 weiter steigern zu können.

Die Nano-Magnetschalter, für die es

keine Werkzeuge mehr gibt, bauen sich selbst

zusammen. Terbium, ein einzelnes Metallatom.

Macht es möglich. Bild: KIT

Karlsruher Institut für Technologie (KIT),

Kaiserstraße 12,D-76131 Karlsruhe,

Tel. +49 (0) 721 60 80,

Internet: www.kit.edu

6

Wie ein ungelöstes Problem aus der

Codierungstheorie RFID-Chips sicherer macht

Die RFID-Technologie ist heute weit verbreitet, zu finden

in Funktüröffnern oder elektronischen Reisepässen.

Die Verschlüsselung der Daten und damit die Sicherheit

der Technologie war lange Zeit ein Problem. Auf dem

Chip fehlt der Raum für komplizierte kryptographische

Algorithmen, die die sensiblen Daten wirksam schützen.

Prof. Dr. Eike Kiltz, Leiter der Arbeitsgruppe „Foundations

and Applications of Cryptographic Theory and der

Ruhr-Universität Bochum, entwickelte mit einem internationalen

Forschungsteam ein sicheres Authentifizierungsverfahren.

Die Forscher griffen dabei auf ein bislang

ungelöstes Problem aus der Codierungstheorie zurück.

Selbst leistungsstarke Rechner bräuchten für die

Lösung wohl mehrere Milliarden Jahre.

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Ein Prototyp des Chips mit der neuen Verschlüsselungstechnik

entsteht nun am Lehrstuhl für eingebettete Sicherheit

der Ruhr-Universität Bochum. Die Methode soll eine

neue Generation RFID-Chips begründen. Der innovative

Ansatz könne ebenfalls bei kryptographischen Aufgaben

wie Verschlüsselungen weitere Anwendung finden.

Ruhr-Universität Bochum,

Fakultät für Mathematik

Arbeitsgruppe „Foundations and Applications of

Cryptographic Theory“,

Universitätsstr. 150, D-44780 Bochum,

Tel. +49 (0) 234 322 55 13,

Internet: www.ruhr-uni-bochum.de

Neue Steuerung ermöglicht Kombination aus

Industrierobotern und mobilem Laserscanner

Ein Werkstück wird mit Laser bearbeitet, das Rückenlehnen-Teil

eines Fahrersitzes. Langsam fährt der

massige Roboter die Schweißnaht entlang. Insgesamt 45

Sekunden dauert der Vorgang. Deutlich schneller geschieht

dies unter Einsatz des neuen Steuerungskonzeptes

LARISSA (Kurzform für: „LaserRobotik -Integration

von Scan- und Fokussiereinheiten als hochdynamische

System-Achsen“.

Wissenschaftler der Hochschule Aschaffenburg haben

gemeinsam mit den Projektpartnern Reis Robotics, Obernburg

und Raylase AG, Weßling eine entscheidende Verbesserung

im Bereich der Lasermaterialbearbeitung entwickelt.

Bei Larissa wird der Laserstrahl durch eine vom

Roboterarm mitgeführte Scannereinheit gezielt so abgelenkt,

dass der Roboter nur relativ langsame und glatte

Bewegungen ausführen muss und der Laserpunkt trotzdem

schnell und präzise der vorgegebenen Bearbeitungskontur

folgt. So lassen sich bei der Lasermaterialbearbeitung

mit Industrierobotern deutlich höhere Geschwindigkeiten

erzielen, ohne das Abstriche bei der Genauigkeit

hingenommen werden müssten.

Das Forschungsprojekt wurde von der Bayerischen

Forschungsstiftung mit 450.000 € gefördert. Von den Fördermitteln

flossen 200.000 € an die Hochschule Aschaffenburg,

welche die Projektleitung innehatte und die auf

einem Patent der Hochschule beruhenden grundlegenden

Steuerungsalgorithmen auf einem sogenannten Rapid

Control Prototyping System implementierte und

erprobte. Bei der Raylase AG wurde der Prototyp eines

neuen Scanners für den Einsatz an Robotern entwickelt.

Die Projektpartner (von links) Markus Lotz,

Wilfried Diwischek, Eberhard Kroth, Hartmut Bruhm

und Alexander Czinki sowie Erwin Wagner.

Bild: Hochschule Aschaffenburg.

Reis Robotics spezifizierte die Anforderungen an das zu

entwickelnde Gesamtsystem, konzipierte und integrierte

eigene Varianten der Steuerungsalgorithmen in die

Robotersteuerung und übernahm die anwendungsnahe

Erprobung. Die Firma arbeitet nun an der serientauglichen

Umsetzung des entwickelten Konzeptes in ihrer

industriellen Robotersteuerung.

Hochschule Aschaffenburg

Würzburger Strasse 45, D-63743 Aschaffenburg,

Tel. +49 (0) 6021 31 45, Internet: www.h-ab.de

Vom Internet der Dinge zum Internet der Dienste –

Fraunhofer schafft in München sichere Systeme

Die Münchner Projektgruppe Sicherheit

und Zuverlässigkeit des Fraunhofer SIT

(Institut für Sichere Informationstechnologie)

ist seit 1. Juli eine selbstständige Einrichtung

für Angewandte und Integrierte Sicherheit.

Claudia Eckert, langjährige Leiterin des

SIT in Darmstadt, wird die neue Einrichtung

im München führen. Mit ihrem Team baute

sie in den vergangenen zwei Jahren Forschungs-

und Entwicklungsbereiche auf.

Seit Juni 2010 wird Prof. Eckert von Prof.

Georg Sigl, der 18 Jahre Industrieerfahrung

im Design eingebetteter sicherer Systeme

mitbringt, unterstützt. „Mit Informatikern,

Elektrotechnik-Ingenieuren, Mathematikern

und Betriebswirten bieten wir ein passendes

Kompetenz- und Technologie-Profil für integrierte

Systemsicherheit“, betont Eckert. Die Einrichtung

kooperiert mit der TU München. An der Fakultät für

Informatik hat Prof. Eckert den Lehrstuhl für Sicherheit

in der Informatik inne. An der Fakultät für Elektrotechnik

und Informationstechnik baut Prof. Sigl den Lehrstuhl

für Sicherheit in der Informationstechnik auf.

Claudia Eckert

leitet das neue

Institut für Sicherheit

und Zuverlässigkeit

ab 1. Juli.

„Unsere Expertise in der integrierten Systemsicherheit

wird in Zukunft stark gefordert

und nachgefragt sein, wenn das Internet

der Dinge mit dem Internet der Dienste

zusammenwächst. Unternehmen, die bisher

mit weitgehend isoliert betriebenen Systemen

produziert haben, werden sich Cyber

Physical Systems öffnen und verstärkt Sicherheitsinfrastrukturen

aufbauen“, so

Eckert und Sigl. „Zwei Schwerpunkte sind

die Themen SmartGrid und SmartMobility

inklusive Automotive-Security und Elektromobilität“,

so Eckert. Die Test- und Demonstrationslabore

für Hardware-Sicherheit,

Netzwerksicherheit und Cloud-Sicherheit

werden kontinuierlich erweitert.

Fraunhofer-Gesellschaft

zur Förderung der angewandten Forschung e.V.,

Hansastraße 27c,

D-80686 München,

Tel. +49 (0) 89 120 50,

Internet: www.fraunhofer.de

atp edition

7-8 / 2011

7

verband

VDI ehrt Fraunhofer-Chef Hans-Jörg Bullinger

Die höchste Auszeichnung, die der Verein Deutscher

Ingenieure zu vergeben hat, erhielt kürzlich Prof. Dr.-

Ing. Hans-Jörg Bullinger. Der VDI verlieh dem Präsidenten

der Fraunhofer-Gesellschaft die Grashof-Denkmünze.

VDI-Präsident Prof. Dr.-Ing. Bruno O. Braun überreichte

die in Gold geprägte Münze, die an den Mitbegründer und

ersten Direktor des VDI Prof. Franz Grashof erinnert, beim

25. Deutschen Ingenieurtag.

Braun würdigte Bullingers langjährige, herausragende

Arbeit und seine Verdienste für das Ingenieurwesen. Er

habe als Wissenschaftler, Hochschullehrer und Ideenmanager

stets einen ganzheitlichen Ansatz bei der Behandlung

von Problemen gefunden, begründete der VDI

die Ehrung. Kennzeichen der Forschung von Prof. Hans-

Jörg Bullinger sei die konsequente Ausrichtung auf den

„Menschen als Maß der Technik“.

Bei allen Bestrebungen, die Wettbewerbsfähigkeit der

deutschen Wirtschaft zu steigern, habe er frühzeitig die

Bedeutung der menschengerechten Arbeitsgestaltung erkannt

und setzte seine Forschungsergebnisse in die Praxis

um. Damit habe er einen erheblichen Beitrag zur Verbesserung

der Arbeitsqualität in Deutschland geleistet.

Als Vordenker und Initiator künftiger gesellschaftlicher

Entwicklungen habe er unter anderem die öffentliche

Diskussion über die Entwicklung der Industriegesellschaft

hin zur Dienstleistungsgesellschaft entscheidend

mitgeprägt. Als Brückenbauer zwischen Wissenschaft

und Wirtschaft habe Bullinger in seiner Zeit als

Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts für Arbeitswirtschaft

und Organisation IAO eine der führenden Institutionen

für technische und prozessuale Innovationen

in Europa aufgebaut.

Sein Wirken als Fraunhofer-Präsident seit 2002 stehe

im Zeichen der Vernetzung von Forschung mit Industrie

und Politik. Gleichzeitig sehe er die Verantwortung für

den Standort Deutschland und stoße immer wieder Aktivitäten

an, um die Innovationsfähigkeit zu stärken und

das Innovationstempo zu steigern.

FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT

ZUR FÖRDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V.,

Hansastraße 27 c, D-80686 München,

Tel. +49 (0) 89 120 50,

Internet: www.fraunhofer.de

Aus der Hand

von VDI-Chef Prof.

Bruno O. Braun (rechts)

erhielt Prof. Hans-Jörg

Bullinger die Grashof-

Denkmünze des

Ingenieurverbands.

Bild: Fraunhofer.

VFAale wandelt sich um zum Trägerverein

Damit er künftig auch als Partner bei automatisierungstechnischen

Events auftreten kann, soll aus dem Verein

der Freunde und Föderer der Aale (VFAale) der Trägerverein

der Aale werden. Das hat der Aale-Beirat auf seiner jüngsten

Sitzung entschieden. Beschlossen werden soll die Satzungsänderung

von der nächsten Mitgliederversamlung des

FVAale. Ab 2012 wird zudem das Aale-Kolloquium umbenannt

in „Konferenz für angewandte Automatisierungstechnik

in Lehre und Entwicklung“. Diese Entscheidung

trafen Aale-Beirat und der Vorstand des Fördervereins, da

sich die Veranstaltung hinsichtlich Teilnehmerzahl und

Qualität der Beiträge in den vergangenen Jahren zu einer

Fachkonferenz entwickelt habe, was sich nun auch im Na-

men widerspiegeln soll. Sie wird zum nächsten Mal am 3.

und 4. Mai 2012 an der Fachhochschule Aachen stattfinden.

Dort wird wieder der Aale Student Award verliehen.

Alle Beiträge werden in einem Tagungsand veröffentlicht,

den der Oldenbourg Industrieverlag herausgeben wird.

VEREIN DER FREUNDE UND FÖRDERER DER

ANGEWANDTEN AUTOMATISIERUNGSTECHNIK

AN FACHHOCHSCHULEN (VFAALE E.V.),

c/o Fachhochschule Düsseldorf,

Fachbereich Elektrotechnik,

Josef-Gockeln-Str. 9, D-40474 Düsseldorf,

Tel. +49 (0) 211 435 13 08, Internet: www.vfaale.de

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atp edition

7-8 / 2011

Fachverband für Sensorik wählt Vorstand wieder

Der alte und

gleichzeitig auch

neue AMA-Vorstand

(v. l. n. r.):

Prof. Dr. Andreas

Schütze, Peter

Krause, Wolfgang

Wiedemann; Johannes

W. Steinebach

und Peter Scholz.

Bild: AMA/Manfred Gillert

Die Mitglieder des AMA Fachverbands für Sensorik haben

den kompletten Verbandsvorstand im Amt bestätigt.

Den Vorstandsvorsitz führt für weitere zwei Jahre

Wolfgang Wiedemann, STW Sensor-Technik Wiedemann

GmbH. Sein Stellvertreter bleibt Peter Krause, First Sensor

Technology GmbH. Johannes W. Steinebach, TWK-Elektronik

GmbH, amtiert als Schatzmeister und Peter Scholz,

Additive Soft- und Hardware GmbH, füllt für weitere zwei

Jahre das Amt des Schriftführers aus. Ebenfalls im Amt

bestätigt wurde Prof. Dr. Andreas Schütze, Universität des

Saarlandes, der als Vorsitzender des Wissenschaftsrates

dem AMA-Vorstand als Beisitzer angehört.

Der AMA Fachverband für Sensorik wurde 1981 als

Arbeitsgemeinschaft Messwertaufnehmer gegründet und

zählt heute auf die Branchenkompetenz von 460 Mitgliedern

aus Industrie und Wissenschaft. Vertreten sind dort

85 Prozent Industrie- und 15 Prozent Institutsmitglieder.

Etwa 2 300 Unternehmen der Sensor- und Messtechnik

erwirtschaften mit 250 000 Beschäftigten einen Umsatz

von zirka 35 Milliarden Euro.

AMA FACHVERBAND FÜR SENSORIK E.V.

Sophie-Charlotten-Str. 15, D-14059 Berlin,

Tel. +49 (0) 30 221 90 36 20, www.ama-sensorik.de

IT-orientierte Hersteller engagieren sich immer

stärker im ZVEI-Fachverband Energietechnik

Der ZVEI – Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie

hat einen neuen Vorstand für die

nächsten drei Jahre gewählt. Neu in dem 37-köpfigen

Führungsgremium sind sieben Mitglieder: Uwe Bartmann

(Siemens), Dr. Wolfgang Bochtler (Mektec), Peter

Gresch (Brose Fahrzeugteile), Ute Poerschke (Elschukom),

Dr. Martin U. Schefter (Eaton Industries Holding),

Dr. Marc Schweizer (Schweizer Electronic) und Hans

Wienands (Samsung Electronics). Die Wahl des Präsidiums

durch die Vorstandsmitglieder steht noch aus.

Neue Mitglieder hat auch der Vorstand des ZVEI-

Fachverbands Energietechnik. Zu den neuen Vorstandsmitgliedern

gehören Rada Rodriguez (Schneider Electric),

Dr. Bernd Engel (SMA Solar Technology), Dr. Harald

Schrimpf (PSI AG) und Dr. Martin Schumacher

(ABB). Im Amt bestätigt wurden Herbert Brunner (Landis

+ Gyr), Ralf Christian (Siemens AG, Energy Sector),

Dieter Nieveler (Starkstrom-Gerätebau) und Dr. Wolfgang

Voß (Alstom Grid). Ralf Christian, CEO der Power

Distribution Division bei der Siemens AG, wurde zum

neuen Vorstandsvorsitzenden gewählt. Er löst Dr. Joachim

Schneider (ehemals ABB) ab, der Gründungsmitglied

des Fachverbands Energietechnik war und jetzt

aus Altersgründen ausscheidet. Als stellvertretende

Vorstandsvorsitzende wurden Herbert Brunner und Dr.

Martin Schumacher gewählt.

Der Vorstandsvorsitzende nannte als seine Hauptaufgabe,

die beschleunigten Veränderungen in der bundesdeutschen

Energieerzeugung hin zu erneuerbaren Energien

und zum nachhaltigen Netzum-/ausbau zu begleiten

und die Expertise des ZVEI der Politik zur Verfügung

zu stellen. Es gebe einen Schub für Innovationen

in der Energietechnik (HGÜ, Smart Grid, Lastmanagement,

Elektromobilität, kommunikationsfähige Stromzähler)

und neue, erfolgreiche Hersteller und Dienstleister

im Energietechnikumfeld, sagte Christian. Eine

neue Entwicklung sei, dass zunehmend IT-orientierte

Hersteller im Fachverband Energietechnik aktiv mitarbeiteten.

„Wir sehen insgesamt günstige Geschäftsaussichten

für innovative Produkte in den nächsten Jahren“,

betonte Christian.

ZVEI - ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK- UND

ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V.,

Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main,

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

atp edition

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9

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branche

Mario Hoernicke und Andreas Wiesner erhielten

den atp Award für die besten Veröffentlichungen

Für Mario Hoernicke und Andreas Wiesner verlief der

Kongress Automation 2011 besonders erfolgreich. Die

beiden jungen Ingenieure wurden bei der Tagung in

Baden-Baden mit dem atp Award für die besten Beiträge

ausgezeichnet, die 2010 in atp edition veröffentlicht wurden.

Chefredakteur Prof. Leon Urbas überreichte den

Die Gewinner des atp Awards: Andreas Wiesner (links)

und Mario Hoernicke (Mitte). Prof. Leon Urbas (rechts),

Chefredakteur der atp edition, überreichte die Auszeichnungen.

Preisträgern die mit jeweils 2 000 Euro dotierten Auszeichnungen

im Plenum des Kongresses.

Mit dem Preis, der ideell an die kompletten Autorenteams

geht, werden die besten Beiträge aus Hochschule

und Industrie gewürdigt – den Geldpreis erhält das jüngste

Teammitglied, das nicht älter als 35 Jahre sein darf.

Mario Hoernicke und sein Kollege Rainer Drath erhielten

die Auszeichnung in der Kategorie „Industrie“ für ihren

in der Ausgabe 7-8/2010 der atp edition veröffentlichten

Beitrag „Sichere SPS-Funktionsbausteine effizient

entwickeln – Formale Funktionsbeschreibung von Automaten“.

Der Beitrag überzeugte die Jury in allen vier Kategorien

Wissenschaftlichkeit, Verständlichkeit, Neuigkeit

und Praxisrelevanz. Beide Autoren sind bei ABB tätig.

Andreas Wiesner hatte gemeinsam mit Michael

Wiedau, Wolfgang Marquardt (alle RWTH Aachen), Heiner

Temmen, Hannes Richert und Felix Anhäuser (alle

Evonik Degussa) veröffentlicht. Ihr Beitrag hieß „Wissensbasierte

Integration von Anlagenplanungsdaten –

Semantische Technologien bieten großes Potenzial“.

Wiesner erhielt den Preis in der Kategorie „Hochschule“.

An der Tagung Automation 2011 nahmen deutlich

mehr Besucher teil als im Jahr zuvor. Ihre Zahl stieg von

350 auf 440, wie Dr. Kurt D. Bettenhausen, Vorsitzender

der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik

GMA betonte. Er nutzte die Tagung auch, um

eine neue Image-Initiative des GMA vorzustellen. Die

Broschüre „Die Zukunft kommt – ganz automatisch“ soll

dazu beitragen, die Wahrnehmung der Automatisierung

als Leittechnologie in der Öffentlichkeit zu stärken (siehe

auch Editorial dieser Ausgabe).

Querschnittsthema funktionale Sicherheit:

VDE stellt Informationen gebündelt zur Verfügung

Funktionale Sicherheit ist ein wichtiges Querschnittsthema,

in dem Experten aus verschiedenen

Fachgebieten eng zusammenarbeiten

müssen. Deswegen bündelt der VDE auf

seiner neuen Internetseite www.vde.com/funktionale-sicherheit

zahlreiche Informationen,

Links zu Komitees, Publikationen und Infos zu

Veranstaltungen rund um dieses Thema.

Mikro- oder Embedded-Rechner spielen

eine immer bedeutendere Rolle und übernehmen

stetig mehr Sicherheitsfunktionen.

Sie wachen über die Sicherheit in zahlreichen

Anwendungen von Industrie bis Alltag

und verhindern Unfälle: Sie sorgen dafür,

dass Maschinen im Fehlerfall in eine sichere

Ausgangsposition fahren, Eisenbahnzüge

auf das richtige Gleis mit der richtigen Geschwindigkeit

gelenkt werden, sie kontrollieren die

Umsetzung der Bremswirkung oder die der Lenkung

im Automobil und lösen Airbags aus.

„Wenn Mikrorechner in sicherheitsgerichteten Steuerungen

ihre Sicherheitsfunktionen zuverlässig erbrin-

atp edition

7-8 / 2011

Ingo Rolle,

„Die funktionale

Sicherheit zu

gewährleisten,

ist ein enorme

Herausforderung.“

Bild: VDE

gen, sprechen wir von funktionaler Sicherheit“,

erklärt VDE-Normungsexperte Ingo

Rolle. Die Grundsätze für die Auslegung sicherheitsgerichteter

Steuerungen finden sich

in der Norm IEC 61508, in Deutschland übernommen

als DIN EN 61508 (VDE 0803). Für

die Industrie spielt die funktionale Sicherheit

eine immer wichtigere Rolle, weil in den Anwendungen

entsprechende Sicherheitsfunktionen

realisiert werden müssen und dazu in

Halbleiter- und Automobilindustrie, Automation

oder IT die komplexen Technologien

verknüpft werden müssen. „Für die Hersteller

stellt es eine enorme Herausforderung dar,

die funktionale Sicherheit mithilfe ihrer

hochentwickelten Produkte, Systeme und

Prozesse zu gewährleisten“, betont Rolle.

VDE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK

INFORMATIONSTECHNIK E.V.,

Stresemannallee 15, D-60596 Frankfurt am Main,

Tel. +49 (0) 69 630 80, Internet: www.vde.com

Prozessleittechnik: Namur-Hauptsitzung stellt die

Trends und Herausforderungen der Zukunft vor

Die Prozessleittechnik hat sich in den vergangenen Jahrzehnten

permanent weiterentwickelt und ist dabei zu

einem unverzichtbaren Faktor der Wertschöpfung in der

Produktion der Prozessindustrie geworden. Sie wird sich

auch in Zukunft fortentwickeln, zum einen, weil die technologische

Entwicklung bei Prozessleitsystemen, bei Sensoren

und Aktoren neue Anwendungen ermöglichen

wird, zum anderen, weil die sich abzeichnenden Entwicklungen

in der Verfahrenstechnik diese erfordern werden.

Die Namur hat sich für ihre 74. Hauptsitzung am 10./11.

November in Bad Neuenahr vorgenommen, einen Blick in

die Zukunft der Prozessleittechnik zu werfen. Als Partner

für die Hauptsitzung konnte die Namur die Firma ABB

gewinnen. Welche Möglichkeiten die Prozessleittechnik

der Gegenwart bietet und welche Richtung die Entwicklung

in naher Zukunft aus Sicht von ABB nehmen kann,

wird der Vorstandsvorsitzende der deutschen ABB AG, Dr.

Peter Terwiesch, in seinem Plenarvortrag erläutern.

Doch die Automatisierung verfahrenstechnischer Anlagen

als zweifelsohne zentraler Bestandteil der Leittechnik

ist nur ein Aspekt, den die Betreiber und Ausrüster derartiger

Anlagen zu betrachten haben. Die Herausforderungen

unter Berücksichtigung von Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen,

Effizienzsteigerungen, des globalen Wettbewerbs,

aber verstärkt auch umweltrelevanter Faktoren verlangen

eine ganzheitliche Betrachtung, die bei der Planung einer

leittechnischen Anlage beginnt und erst nach vielen Jahren

mit der Außerbetriebnahme einer Produktionsanlage endet.

Ein entsprechendes Life-Cycle-Management inklusive

Indexierung, Migrations- und Evolutionsstrategien sorgt

dafür, dass die leittechnische Ausrüstung einer Prozessanlage

zuverlässig, zukunftssicher und einfach bedienbar

bleibt, während sie gleichzeitig vom technischen Fortschritt

in der Informations- und Kommunikationstechnik

profitiert. „Für ABB ist die Veranstaltung eine hervorragende

Gelegenheit, über zwei Tage hinweg mit den Anwendern

die aktuellen Möglichkeiten der modernen Prozess-

leittechnik und über Trends und Zukunftsperspektiven zu

diskutieren“, freut sich Rüdiger Jung, Leiter der deutschen

ABB-Geschäftseinheit Chemie, Öl & Gas. „Das hilft uns,

die Bedürfnisse des Marktes aufzunehmen und diese in

unseren Produkten und Systemen umzusetzen“.

Die Namur wird in Ko-Referaten in der Plenarsitzung

am Donnerstag den Standpunkt der Anwender mit Vorträgen

zu Themenbereichen wie „Leitsysteme als Produktionsfaktor“

und der „Akzeptanz von gehobenen Regelungsstrategien

in der Anwendung“ darlegen. Zudem wird

in dieser Sitzung über die Ergebnisse einer Umfrage unter

Herstellern und Anwendern von Leitsystemen berichtet.

Dr. Peter Terwiesch,

Vorstandschef von ABB Deutschland,

wird bei der Namur-Hauptsitzung

erläutern, welche Möglichkeiten

die Prozessleittechnik der Gegenwart

bietet und welche Richtung

die Entwicklung in naher Zukunft

nehmen kann. Bild: ABB

Ein weiterer Themenschwerpunkt ist die FDI-Technologie,

die kurz vor der Marktreife steht. Mit ihrer Hilfe

wird die langjährige Anwenderforderung erfüllt, mit möglichst

geringem Aufwand Instrumentierung und Leitsysteme

unterschiedlicher Hersteller beliebig zu kombinieren.

Mit anderen führenden Leittechnik-Ausrüstern hat

ABB federführend einen Standard für die notwendigen

Engineering-Werkzeuge erarbeitet und zeigt in der begleitenden

Ausstellung erstmalig ein Funktionsmodell, welches

die Interoperabilität demonstriert.

NAMUR – GESCHÄFTSSTELLE,

c/o Bayer Technology Services GmbH,

Gebäude K 9, D-51368 Leverkusen,

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

Cyril Perducat bleibt Vorstandschef der ODVA

ODVA, die Organisation, zur Unterstützung von Netzwerktechnologien

auf Basis von Common Industrial Protocol

(CIP) – DeviceNet, EtherNet/IP, CompoNet und ControlNet,

hat den Vorstand neu bestimmt. Bei der Mitgliederversammlung

in Litchfield Park (USA) wurden wiedergewählt: Cyril

Perducat (Senior Vice President for Plant Solutions and System

Consistency, Schneider Electric), Frank Kulaszewicz

(Senior Vice President for Architecture and Software, Rockwell

Automation), Michael Höing (Vice President for Electronics

Business, Weidmüller Interface), Chet Namboodri

(Global Director for Manufacturing for Industry Solutions

and Marketing, Cisco Systems), Ryuji Yamasaki (General

Manager for Drives Development, Industrial Automation

Business, Omron. Neu im Vorstand ist Bernd-Josef Schäfer,

Executive Vice President for Engineering and Manufacturing

(Electric Drives and Controls) bei Bosch Rexroth.

Der ODVA-Vorstand ernannte Cyril Perducat erneut

zum Vorstandsvorsitzenden, Frank Kulaszewicz zum

Schatzmeister sowie Richard Harwell von Eaton Electrical

zum technischen Direktor (CTO). Außerdem

wurde die langjährige ODVA-Mitarbeiterin, Katherine

Voss erneut zum Executive Director ernannt.

Als CTO ist Harwell Vorstand des Technical Review

Boards (TRB), das sich aus Vertretern von ODVA-Mitgliedern

zusammensetzt und für die technischen Standards

der Netzwerke zuständig ist. Das TRB der ODVA

setzt sich nun aus den bisherigen Mitgliedern David

VanGompel von Rockwell Automation, Jeff Jurs von Omron,

Paul Didier von Cisco Systems, Rudy Belliardi von

Schneider Electric und Damien Leterrier von Molex zusammen.

Ludwig Leurs von Bosch Rexroth und Joakim

Wiberg von HMS Industrial Networks stoßen neu hinzu.

ODVA,

Ann Arbor, Michigan USA, Tel. +1 734 975 88 40

Internet: www.odva.org

atp edition

7-8 / 2011

11

anche

Wireless-Einsatzszenarien für Stellgeräte

in der Prozessautomation

Welche Infrastruktur lohnt sich und ist technisch möglich?

Die Anforderungen an die wireless-Technolgie für den

Einsatz im verfahrenstechnischen Umfeld weichen

in wesentlichen Punkten von denen im privaten oder

Bürobereich ab. Mittlerweile stehen mit Wireless Hart,

ISA SP100, ZigBee und anderen Lösungen auch für den

Einsatz im industriellen Umfeld verschiedene Funkstandards

zur Verfügung, und erste Feldversuche haben gezeigt,

dass das Übertragungsmedium „Luft“ hier durchaus

geeignet ist, wenn entsprechende Randbedingungen

eingehalten werden [1] [6]. Doch unter welchen Voraussetzungen

ist hier eine drahtlose Infrastruktur technisch

und wirtschaftlich sinnvoll, und welche Geräte lassen

sich überhaupt wirklich drahtlos betreiben?

1. Wireless in der Prozessautomation sinnvoll

einsetzen

Die Installation eines drahtlosen Übertragungssystems

macht dort Sinn, wo keine geeignete andere Kommunikationsinfrastruktur

bereits zur Verfügung steht oder

mit vertretbarem Aufwand hergestellt werden kann.

Oft wird als Szenario für den Einsatz von Wireless

Hart das Nachrüsten von Hart über Wireless Adapter

genannt, um in Verbindung mit nicht Hart-fähigen Systemen

einen temporären oder permanenten Zugriff auf

die Feldgeräte über Engineering Tools oder Asset Management

Systeme zu ermöglichen. Hier sollte zuvor

betrachtet werden, ob nicht die Nachrüstung von Hart-

Multiplexern die technisch oder wirtschaftlich bessere

oder einfachere Lösung darstellt. Versuche zeigten, dass

die verfügbaren Wireless-Hart-Komponenten keine bessere

Performance bezüglich der Netto-(Nutzdaten-) Übertragungsrate

bieten als die am Markt verfügbaren Multiplexerlösungen

(bei gleichem Mengengerüst).

Beim Überbrücken großer Distanzen oder Hindernisse

wie beispielsweise Wasser- oder Schienenwege kann der

Einsatz von Funktechnik wirtschaftlich sinnvoll sein.

Hier kommen keine Mesh-Netzwerke wie etwa Wireless

Hart zum Einsatz, sondern besser WLAN-Richtfunkstrecken.

Der Einsatz drahtloser Übertragung sollte dann

erwogen werden, wenn Teile der Installation auf beweglichem

oder rotierendem Equipment angeordnet sind. Hier

ist zu prüfen, ob die Anzahl und Topologie der anzubindenden

Prozess- oder Steuersignale den Einsatz eines

komplexen standardisierten Netzwerks rechtfertigt. Gerade

wenn nur einzelne dieser Signale „beweglich“ angeordnet

sind, kann es sinnvoll sein, das Mess- oder Stellgerät

aufzuteilen in einen ortsfesten und einen nicht ortsfesten

Teil. Der nicht ortsfeste Teil beinhaltet die eigentliche

Messung oder den Aktor. Über eine geeignete nicht

drahtgebundene Verbindung wird das Mess- oder Steuersignal

an den ortsfesten Teil des Geräts übertragen. Dieser

wird dann über die in der Anlage genutzte Infrastruktur

(4-20 mA, Hart, Feldbus) standardisiert in das Leit- oder

Asset Management System eingebunden.

2. Anforderungen der Aktorik

Stellgeräte als komplexe Feldgeräte erfüllen neben ihrer

Hauptaufgabe, dem Verändern von Stoffströmen, zunehmend

Diagnose- und Asset Management-Funktionen [3]

[5]. Damit wird gerade ihre Einbindung in die Leit- und

Asset-Management-Systeme zur zentralen Herausforderungen

hin zur durchgängigen Informationsarchitektur

[2] [4]. Sollen Geräteeinstellung, Diagnose- und Asset

Management Daten drahtlos übertragen werden und soll

der Stellwert des Aktor über die Funkverbindung übermittelt

werden, stellen Stellgeräte hohe Anforderungen

an die Sicherheit und Verfügbarkeit der Übertragungsstrecke.

Im Gegensatz zu Messgeräten haben Stellgeräte

einen permanenten Eingriff in den Prozess und benötigen

permanent Energie, um einen bestimmten Ausgangszustand

(zum Beispiel die Ventilstellung) aufrecht

zu erhalten. Daher stellen sie andere Anforderungen an

die Energieversorgung als etwa eine drahtlose Temperaturmessung,

die nur einmal innerhalb mehrerer Minuten

einen Messwert liefern muss.

3. Einsatzszenarien für Aktoren

Grundsätzlich sind für den Einsatz von Stellgeräten in

drahtlosen Netzwerken drei verschiedene Szenarien

denkbar. Sie unterscheiden sich im Wesentlichen durch

die Art der übertragenen Informationen und die Art der

Versorgung mit elektrischer Hilfsenergie.

3.1 Wireless Konfiguration und Diagnose im Feld

Das Stellgerät ist über einen im Wireless Adapter oder

eine im Stellungsregler integrierte Funkanschaltung an

das Funknetz angebunden. Der Stellungsregler sowie die

Funkanschaltung werden über die Stromschleife mit

mindestens 4 mA versorgt Der Prozesswert (der Sollwert

der Ventilstellung) wird ebenfalls über die Stromschleife

übertragen (Bild 1). Die elektrische Energieversorgung

des Stellungsreglers und der Funkanschaltung erfolgen

aus der Stromschleife. Für jedes Gerät ist eine Leitung

erforderlich. Das Funknetzwerk bietet den temporären

oder permanenten Zugriff für das Engineering Tool oder

Asset-Management-System.

3.2 Wireless Control

Die elektrische Energieversorgung des Stellgeräts mit

Stellungsregler mit integriertem Funkmodul erfolgt

“Field Powered” aus einer zentralen Versorgung (Bild 2).

„Eine“ Leitung versorgt so alle Geräte mit elektrischer

Hilfsenergie. Der Prozesswert (der Sollwert der Ventilstellung)

wird ebenso wie die Engineering- und Diagnoseinformationen

über das Funknetzwerk übertragen. Die

Übertragung des Ventilsollwerts stellt besondere Anforderungen

an das verwendete Funknetzwerk. In der Regel

sind bei Closed Loop Anwendungen Updateraten von 1

Sekunde oder kürzer erforderlich. Dies schränkt die Verwendung

von Wireless Hart auf Open-Loop-Anwendungen

mit deutlich langsameren Updateraten ein.

3.3 “Real” Wireless Control

Im nächsten Schritt wird elektrische Hilfsenergie entweder

aus einer Batterie entnommen oder zum Beispeil

aus der pneumatischen Hilfsenergieversorgung erzeugt.

12

atp edition

7-8 / 2011

Zugriff auf die diagnoseinformationen

Zentral über Asset Management System

des Betreibers über Gateway

Lokal über Maintenance Tools

(z.B. Notebook mit Adapter)

Mobil über PDA oder Hand Held

Bild 1:

„Wireless Engineering“

mit „Wired Control

& Energy“

4 ... 20 mA

Zentrale

Versorgung

z.B. 24V

Mögliche Energieversorgung für

„Wireless“ Stellugsregler

„Field Powered“ aus zentraler Versorgung

z.B. 24V DC

Elektrische Energieversorgung des Stellungsreglers

und der Wireless Anschaltung aus der

zentralen Versorgung

„Eine“ Leitung versorgt alle Geräte

Prozesswert über Wireless

Bild 2:

„Wireless Control“

mit „Wired Energy“

Zentrale

Versorgung

z.B. 24V

Auch andere Arten von „Energy Harvesting“ sind denkbar.

Diese elektrische Energie versorgt sowohl den Stellungsregler

als auch die Wireless-Anschaltung. Eine

Verkabelung im Feld ist nicht notwendig (Bild 3). Der

Prozesswert (der Sollwert der Ventilstellung) wird ebenso

wie die Engineering- und Diagnoseinformationen über

das Funknetzwerk übertragen. Bezüglich der Updateraten

gelten die gleichen Randbedingungen wie unter 3.2.

4. Einordnung der Einsatzszenarien für Aktoren

Das unter 3.1. beschriebene Szenario ist mit den heutigen

Standards umsetzbar. Allerdings macht es nur Sinn,

wenn die Kommunikation zu den Feldgeräten (etwa

durch Nachrüstung von Hart-Multiplexern) aus technischen

oder räumlichen Gründen nicht realisierbar ist

oder mehr Aufwand bedeutet. Es werden nur Zusatzinformationen

über Funk übertragen. Das Prozesssignal

vermittelt weiterhin die Stromschleife. Es ist somit von

einem Ausfall der Funkverbindung nicht betroffen.

Bei dem unter 3.2. beschriebenen Szenario handelt es

sich um das klassische 4-Leiter-Prinzip, die Energieversorgung

erfolgt über eine Standard-Versorgung, lediglich

das Signalkabel wird durch das Funknetzwerk ersetzt.

Es werden Prozess- und Zusatzinformationen drahtlos

übertragen. Hier stellt sich die Frage, ob diese Lösung

wirtschaftlich ist oder nicht der Einsatz eines Feldbusses

vorzuziehen ist.

Bei dem Szenario unter 3.3. schließlich entfällt die

drahtgebundene Energieversorgung. Die Versorgung mit

elektrischer Energie obliegt der jeweiligen Messstelle.

Prozess- als auch Zusatzinformationen werden drahtlos

übertragen.

Die Szenarien unter 3.2. und 3.3. sind kombinierbar,

sie unterscheiden sich in der Art der Energieversorgung.

Bezüglich der Sicherheit und Verfügbarkeit der Übertragungsstrecke

als auch der Update-Raten stellen sie jedoch

ganz andere Anforderungen an die eingesetzte

Funktechnologie als das erste Szenario. So sind Update-

atp edition

7-8 / 2011

13

anche

mögliche energieversorgung für

„Wireless“ Stellungsregler

Batterie oder „Energy Harvesting“

Elektrische Energieversorgung des Stellungsreglers

und der Wireless Anschaltung aus der

lokalen Erzeugung

Keine Verkabelung im Feld notendig

Prozesswert über Wireless

Zentrale

Versorgung

z.B. 24V

Bild 3: „Real Wireless Control“ ohne Kabel

Bild 4: Faceplate eines Stellungsreglers,

Anzeige von zusätzlichen

Messwerten und dem NAMUR Status

im PLS über Wireless HART

Zyklen der Mess- und Stellwerte im Sekundenbereich

oder kürzer gefordert, die von den zurzeit verfügbaren

Standards nur schwer oder gar nicht erreichbar sind. Die

Verfügbarkeit des Netzwerks unter Einfluss von sich ändernden

Strukturen (Fahrzeuge, Gerüste) oder nicht eingeplanten

Störsendern muss anders bewertet werden.

5. Anwendernutzen durch Zugang zu

zusätzlichen Geräteinformationen

Moderne smarte Stellungsregler bieten viele erweitertete

Diagnose- und Überwachungsfunktionen [3]. In vielen

Fällen ist der Zugriff auf diese Möglichkeiten ist über

das vorhandene Leitsystem nicht möglich. Es muss dann

unter hohem Aufwand lokal auf die Geräte zugegriffen

und die Daten im wahrsten Sinne des Wortes „eingesammelt“

werden. Eine drahtlose Infrastruktur (3.1) bietet

einen Ausweg, diese Daten und Funktionen einem Asset-

Management-System durchgängig zur Verfügung zu stellen,

ohne das bestehende System zu verändern.

Die entstehenden Möglichkeiten reichen von aktuellen

Informationen über Zustand und Performance eines gesamten

Stellgeräts bis hin zur anlagenweiten Auswertung

der Zustandsinformationen der Stellgeräte. In einer

anlagenweiten Datenbank werden diese Zustandsinformationen

zugeordnet zu den Messstellen gesammelt, um

über geeignete Analyse- und Reporting-Funktionen noch

weitergehende Aussagen über den Zustand und die Performance

der Stellgeräte und damit auch über die Anlage

selbst zu erhalten.

Stellungsregler bieten die Möglichkeit, unter Nutzung

eines patentierten Verfahrens auf Basis intern gemessener

Signale den Differenzdruck am Ventil zu ermitteln.

In Kombination mit weiteren Informationen zum Stellgerät

(unter anderem Ventilkennlinie) ermöglichen die

Stellungsregler die gute Abschätzung des Durchfluss

durch das Ventil direkt im Stellungsregler. Entweder

leitungsgebunden oder über eine drahtlose Kommunikationsverbindung

kann dieser Durchflusswert sowie

weitere Prozess- und Statusinformationen direkt zyklisch

an das System übermittelt werden. Mit geringem

Aufwand wird eine zusätzliche Messgröße aus dem Prozess

gewonnen. Diese kann zur Optimierung der Anlagenfahrweise

herangezogen werden (Bild 4).

6. Zusammenfassung

Die Entscheidung, drahtlose Kommunikationstechnologien

in der Prozessautomation einzusetzen, muss im

Einzelfall entschieden werden. Sie macht nur dort Sinn,

wo sich ein wirtschaftlicher Vorteil daraus ergibt. In

vielen Fällen mag das auf einzelne Bereiche einer Installation

zutreffen, aber sicher nicht den flächendeckenden

Einsatz in einer gesamten Anlage rechtfertigen.

Der durchgängige Zugang zu erweiterten Funktionen

von Feldgeräten wie den unter 5 beschriebenen smarten

Stellgeräten kann in vielen Fällen einen solchen Vorteil

darstellen.

So werden sich sicher hybride Strukturen ausbilden,

wie auch heute schon im „drahtgebundenen“ Bereich

einer Anlage in den verschiedenen Bereichen unterschiedliche

Übertragungsmedien eingesetzt werden.

Entscheidend ist nicht eine durchgehende Übertragungsphysik,

sondern der durchgängige Informationsfluss hin

zur durchgängigen Informationsarchitektur.

14

atp edition

7-8 / 2011

eferenzen

[1] Schwibach, M., Klettner, Ch.: Praxisbericht:

WirelessHART im Feldtest, atp edition 1-2 / 2010

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

Stellgeräte in Leitsysteme.

Vortrag Automation 2008, atp – Automatisierungstechnische

Praxis, Heft 8, 2008

[3] Kiesbauer, J., Erben, S., Hoffmann, D.: Neue Asset

Management-Konzepte bei Stellventilen (Aktorik).

Vortrag Automation 2010, atp edition 3 / 2011

[4] NAMUR Empfehlung NE 105: Anforderungen an die

Integration von Feldbusgeräten in Engineering Tools

für Feldgeräte

[5] NAMUR Empfehlung NE 107: Selbstüberwachung und

Diagnose von Feldgeräten

[6] NAMUR Empfehlung NE 124: Anforderungen an

Wireless Automation

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Autoren

Dr.-Ing. Jörg Kiesbauer

(geb. 1960) ist Mitglied des

Vorstandes Forschung und

Entwicklung der Samson AG.

Samson AG,

Weismüllerstraße 3, D-60314 Frankfurt am Main,

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

E-Mail: drjkiesbauer@samson-ag.com

Dipl.-Ing. Stefan Erben

(geb. 1964) leitet die Entwicklung

Elektronik Industrie der

Samson AG. Seine Hauptarbeitsfelder

umfassen die

Forschung und Entwicklung

auf dem Gebiet der intelligenten

Feldgeräte sowie der

elektronischen Prozessregler

für den industriellen Einsatz, die Integration

dieser Geräte in offene Systeme sowie die

Mitarbeit in Gremien verschiedener herstellerunabhängiger

Organisationen (Profibus Nutzerorganisation,

Fieldbus Foundation, Hart Communication

Foundation, FDT-Group).

Samson AG,

Weismüllerstraße 3, D-60314 Frankfurt am Main,

Tel. +49 (0) 69 40 09 11 20, E-Mail: serben@samson.de

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anche

Berührungslose Sensoren sparen Kosten und

steigern die Sicherheit der Kraftwerksteuerung

Magnetostriktive Messtechnik registriert robust und zuverlässig Ventilstellungen

m ägyptischen Dampfkraftwerk Shoubra El Kheima erfassen

nach einer Modernisierurng magnetostriktive

I

Temposonics Positionssensoren von MTS die Stellung

der Umleit- und Einspritzventile. Ihre robuste Wegmessung

und die komfortable Programmierung mit einem

Einbau-Programmer führen zu einer deutlichen Zeitund

Kostenersparnis. Für alle 28 Sensoren an den Umleit-

und Einspritzventilen bedeutet das fast 12 Stunden

weniger Aufwand. Auch bei der Inbetriebnahme der

einzelnen Kraftwerksblöcke nach der Modernisierung

konnte durch die komfortable Programmierung sehr viel

Zeit eingespart werden.

Zuverlässigkeit und hohe Verfügbarkeit spielten eine

große Rolle, als der Energiebereich der Siemens AG im

Jahr 2005 den Auftrag erhielt, die Leittechnik im

Dampfkraftwerk Shoubra El-Kheima in Kairo zu modernisieren.

Das Wärmekraftwerk erzeugt eine Leistung

von insgesamt 1260 MW aufgeteilt auf vier Blöcke mit

je 315 MW. Für die Positionsmessung an den verschiedenen

Ventilen wählte Siemens magnetostriktive Temposonics-Positionssensoren

von MTS aus.

Im Kraftwerk Shoubra El-Kheima sitzen an jedem

Kraftwerksblock ein Hochdruck- und zwei Niederdruck-

Umleitventile, die im Normalbetrieb der Dampfturbine

geschlossen sind. Bei Turbinenschnellschluss – etwa bei

einer Netzstörung – kann die Turbine den erzeugten

Dampf nicht mehr übernehmen. In diesem Fall wird der

Dampf über das Bypasssystem in den Zwischenüberhitzer

beziehungsweise bis in den Kondensator umgeleitet.

Die Einlass- und Abfangventile vor den Turbinen fahren

innerhalb von 200 ms zu, und die Umleitventile öffnen

sich, um den überschüssigen Dampf in den Kondensator

umzuleiten und Turbinenschäden durch Überdrehzahl

zu vermeiden.

BYPASSSYSTEM SCHONT DIE ANLAGEN

Im laufenden Betrieb erfasst ein Druckgeber den Druck

im Kessel als Eingangsgröße für den Stellungsregelkreis

des Hochdruck-Umleitventils. Entsprechend der Abweichung

dieses Signals vom Sollwert bei Turbinenschnellschluss

öffnet sich das Hochdruck-Umleitventil und

regelt den Kesseldruck. Die Niederdruck-Umleitventile

regulieren den Druck im Zwischenüberhitzer-System.

Neben der Dampfabführung bei Turbinenschnellschluss

ist eine Hauptaufgabe des Bypasssystems, beim

Anfahren des Kessels den Dampf so lange umzuleiten,

bis er sauber genug ist, um in die Turbine zu strömen.

Auch spannungsbedingte Risse, die während des Anfahrvorgangs

durch hohe Temperaturunterschiede zwischen

dem äußeren und inneren Bereich der Turbine

entstehen, werden so vermieden.

Hinter dem Hochdruck-Umleitventil befinden sich

zwei Ventile für die Wassereinspritzung. Das erste Ventil

führt eine Druckreduzierung des Speisewassers herbei,

während das zweite für die Temperaturregelung des

Dampfs sorgt. Die Niederdruck-Umleitventile besitzen je

ein Einspritzventil. Das eingespritzte Kondensat enthitzt

den Umleitdampf vor Eintritt in den Kondensator.

BERÜHRUNGSLOS UND VERSCHLEISSFREI

Für die Aufnahme der Ventilstellung sitzen im Kraftwerk

Shoubra El-Kheima an den Umleitventilen und an den

Einspritzventilen Positionssensoren der Temposonics-R-

Serie in Profilbauform (Modell RP). Der Sensor ist von

außen fest an der Laterne des Ventils montiert. Sein Positionsmagnet

ist über eine Schubstange mit der Ventilkupplung

verbunden und bewegt sich über das Sensorprofil,

sobald sich die Ventilstellung ändert. Die Sensoren

arbeiten nach dem magnetostriktiven Messprinzip, sodass

die Positionserfassung berührungslos und verschleißfrei

erfolgt. Der Magnet überträgt die Positionsinformation

ohne Kontakt über magneto-mechanische Effekte

ins Innere des Sensors.

Da die Hydraulikzylinder der Umleit- und Einspritzventile

bei der Modernisierung des Kraftwerks nicht

ausgetauscht wurden, konnte Siemens die RP-Sensoren

durch den äußeren Anbau an den Zylinder einfach nachrüsten.

Für den Neubau oder den Austausch der Antriebstechnik

gibt es im Produktprogramm von MTS

zudem Sensoren in Stabform, die sich besonders gut für

die direkte Integration in den Zylinder eignen.

Neben den RP-Sensoren an den Umleit- und Einspritzventilen

sind im Dampfkraftwerk weitere 64 Positionssensoren

des Modells Temposonics EP an den verschiedenen

Regelventilen im Kesselhaus verteilt. Diese Ventile

waren vor der Modernisierung nicht mit kontinuierlicher

Positionserfassung ausgestattet und konnten nur

die Endstellungen anzeigen. Jetzt sind sie kontinuierlich

regelbar. Hinter der Speisewasserpumpe geben die neu

montierten Sensoren zum Beispiel Rückmeldungen über

den Ventilhub für die Speisewasserzufuhr. Auch an den

Ventilen für die Zuführung des Schweröls, an den Wassereinspritzventilen

für den Zwischenüberhitzer und

das Frischdampfsystem sowie an den Durchfluss-Regelventilen

für die Einleitung des Dieselkraftstoffs in das

Zündsystem melden die Sensoren die Ventilposition an

den Leitstand.

„GEBERSTERBEN“ FÜHRTE ZU HERSTELLERWECHSEL

Während der Modernisierung der Umleit- und Einspritzventile

stellte Siemens fest, dass die bisher eingesetzten

Drehgeber aufgrund eines Produktauslaufs preislich nicht

mehr tragbar waren. Bereits in anderen Kraftwerken hatten

sie bei der Hubmessung an Regelventilen gute Erfahrungen

mit den Positionssensoren von MTS gemacht.

Magnetostriktive Sensoren eines anderen Herstellers

konnten dagegen die Anforderungen nach einer robusten

und zuverlässigen Wegmessung nicht erfüllen. Das

Schwingen der Ventile und die damit verbundenen Vibrationen,

denen die Sensoren ausgesetzt sind, führten zu

einem regelrechten „Gebersterben“.

Ein Herstellerwechsel schaffte Abhilfe. Die seit

mehr als 35 Jahren weiterentwickelte und ausgereifte

Technologie der Temposonics-Sensoren konnte durch

ihre störfeste Positionsrückmeldung überzeugen. Das

hohe Signal-Rauschverhältnis und die damit verbundene

gute Signalqualität machen die Sensoren weit-

16

atp edition

7-8 / 2011

Von auSSen an die Ventile montierte Sensoren erfassen berührungslos

deren Position. Bild: Siemens AG Energy Sector

Einsatz in Ägypten: Nach der Modernisierung der Leittechnik

im Kraftwerk Soubra El Kheima sorgen magnetostriktive Positionssensoren

für Zuverlässigkeit und hohe Verfügbarkeit.

Bild: Lahmeyer International

Dampferzeuger

Überhitzer

HD Umleitventil

ca. 500 °C

Zwischenüberhitzer

Frischdampf-

Schnellschluss-

Ventile

Regelventile

Zwischenüberhitzer-

Schnellschluss-

Ventile

Abfangventile

ND Umleit-

Stop-Ventile

ND Umleit-

Regelventile

Ventil zur

Druckreduzierung

Einspritzwasser

Ventil zur Dampfkühler

Temperaturkontrolle

380 °C

HD

MD

ND

ND

HD Abdampf-

Rückschlagventil

Kessel- Kondensatpumpe

Speisepumpe

Kondensator

ND Einspritzventile

ND Umleitdampf-

Enthitzer

Der Temposonics RP-Sensor

liefert hochpräzise Messergebnisse

und verfügt über ein robustes

Aluminiumprofil.

Bild: MTS Sensor

Technologie

Schemazeichnung eines Kraftwerkblocks

mit Hochdruck- und Niederdruckumleitventilen

Bild: Siemens AG Energy Sector

atp edition

7-8 / 2011

17

anche

gehend unabhängig von äußeren Einwirkungen und

reduzieren das Rauschen auf ein Minimum. Die robuste

Konstruktion und die berührungslose Wegaufnahme

garantieren eine lange Lebensdauer selbst in

einem extremen Umfeld wie der Kraftwerkstechnik.

Mit dem Umstieg auf die Sensoren von MTS hat Siemens

nach eigenen Angaben im Kraftwerksbau sehr

gute Erfahrungen gemacht.

ZUVERLÄSSIGKEIT DIE WICHTIGSTE ANFORDERUNG

Bei der Auswahl der Positionssensorik für das Kraftwerk

Shoubra El-Kheima spielte die Genauigkeit der Sensoren

eine zweitrangige Rolle. Oberste Anforderung war, dass

das Regelungssignal sicher verwertet werden kann und

die Positionsrückmeldung sehr zuverlässig erfolgt. Die

vibrationsfeste Ausführung der Temposonics-R-Serie-

Sensoren erfüllt mit einer Vibrationsfestigkeit bis 30 g

und einer Schockfestigkeit bis 100 g alle Forderungen

nach Langlebigkeit. Die leistungsstarke, integrierte Elektronik

garantiert in Kombination mit bester Störfestigkeit,

Schutzart IP67 und EMV-Schutz sehr zuverlässige

Messergebnisse – was sie für den harten Dauereinsatz

prädestiniert. Auch von Temperaturschwankungen im

Bereich von -40° C bis +75° C bleiben die Sensoren unbeeindruckt.

Dank der kontinuierlichen Wegmessung

mag netostriktiver Positionssensoren können die Ventile

stufenlos geregelt werden. Mit einer Wiederholgenauigkeit

von ± 2,5 µm ist das exakte Anfahren einer jeden

Ventilstellung möglich.

Temposonics-Positionssensoren arbeiten berührungslos

und wartungsfrei mit einer sehr guten Wiederholgenauigkeit,

so dass sie keine Nachkalibrierung benötigen.

Allerdings verändern sich die Ventile durch Alterung

aufgrund der hohen Temperaturunterschiede (bis

zu 540° C), sodass im Kraftwerk Shoubra El Kheima eine

gelegentliche Nachkalibrierung der Sensoren erforderlich

ist.

Um die Installation und Wartungsarbeiten zu vereinfachen

und erheblich zu verkürzen, hat MTS den sogenannten

Einbau-Programmer entwickelt. Mit diesem

Programmiergerät ist es möglich, einen in der Anlage

montierten Sensor bequem vom Klemmenkasten aus zu

programmieren. So können der Start- und Endpunkt der

Messstrecke und die Messrichtung im Feld neu eingestellt,

die Sensoren leichter an die Bedingungen vor Ort

anpasst und bei Bedarf rekalibriert werden.

PROGRAMMIERUNG IN NUR FÜNF MINUTEN

Die Sensoren im Kraftwerk Shoubra El-Kheima besitzen

einen genormten und werkseitig eingestellten 4..20 mA-

Spannungsausgang. Bei einem Sensorsignal von 4 mA ist

das Ventil geschlossen und bei 20 mA komplett geöffnet.

Für die Rekalibrierung nach dem Anfahren der Turbine

sind 28 der Programmiergeräte zwischen Sensor und

Steuerung dauerhaft in den Klemmenkästen neben den

Ventilen verbaut. Der Einstellmodus kann jederzeit ohne

zusätzliche Einstellwerkzeuge aktiviert werden. Das Ventil

wird in die gewünschte Anfangs- oder Endstellung

verfahren, seine Position mit der 0 %- beziehungsweise

100 %-Taste des Programmiergeräts bestätigt und per

Teach-In in der Steuerung gespeichert.

Bevor Siemens die Einbau-Programmer installierte,

wurde bei jeder Rekalibrierung ein mobiler Handprogrammer

mit dem Sensor und der Steuerung verbunden.

Allerdings sind die Sensoren oft an unwegsamen Stellen

angebracht, Schmutz und Hitze vor Ort erschweren

die Arbeit. Es war eine Herausforderung, beispielsweise

den Handprogrammer bei Dunkelheit an die Kabelenden

des Sensors anzuschließen. So dauerte die Programmierung

bis zu einer halben Stunde pro Sensor.

Mit dem Einbau-Programmer reduzierte sich die Zeit,

inklusive Wegezeiten und Verfahrzeiten für die Ventile,

auf gerade einmal fünf Minuten. Die Programmierung

vom Klemmenkasten aus erleichtert die Arbeit vor Ort

sehr und spart bei jeder Turbinenwartung wertvolle

Zeit. Für alle 28 Sensoren an den Umleit- und Einspritzventilen

bedeutet das eine Zeitersparnis von fast zwölf

Stunden und auch die Inbetriebnahme der Kraftwerksblöcke

nach der Modernisierung verlief schneller. Auch

bei der Inbetriebnahme der einzelnen Kraftwerksblöcke

nach der Modernisierung konnte durch die komfortable

Programmierung sehr viel Zeit eingespart werden.

Zum Einsatz kommen die magnetostriktiven Temposonics-Positionssensoren

auch in anderen Anwendungen

der Energietechnik. In Gasturbinen werden sie bei der

Steuerung der Regelventile für die Gaszufuhr eingesetzt.

In Wasserturbinen erfassen sie die Positionen der Laufrad-

und Leitschaufelverstellung. In Windanlagen bestimmen

sie bei der Pitch Control den Anstellwinkel der

Rotorblätter oder überwachen die Position des Bolzens

bei der Rotorverriegelung.

Autor

Hanserdmann von

Biedersee ist Leiter

Technisches Marketing

Industriesensorik bei MTS

Sensor Technologie.

MTS Sensor Technologie GmbH & Co. KG,

Auf dem Schüffel 9, D-58513 Lüdenscheid,

Tel. +49 (0) 2351 958 729,

E-Mail: H.v.Biedersee@mtssensor.de

18

atp edition

7-8 / 2011

Herausforderung


Mit dem atp-award werden zwei Autoren der atp edition

für hervorragende Beiträge ausgezeichnet. Ziel dieser

Initiative ist es, Wissenschaftler und Praktiker der

Automatisierungstechnik anzuregen, ihre Ergebnisse

und Erfahrungen in Veröffentlichungen zu fassen und

die Wissenstransparenz in der Automatisierungstechnik

zu fördern.

Teilnehmen kann jeder Autor der zum Zeitpunkt

der Veröffentlichung nicht älter als 35 Jahre ist. Nach

Veröffentlichung eines Beitrags ist der Autor, wenn er

die Bedingung erfüllt, automatisch im Pool. Die Auswahl

des Gewinners übernimmt die atp-Fachredaktion.

Derjenige Autor, der im Autorenteam der jüngste ist,

erhält stellvertretend für alle Autoren die Auszeichnung.

Der Preis wird in zwei Kategorien ausgelobt:

Industrie und Hochschule. Die Kategorien ermittlung

ergibt sich aus der in dem Beitrag angegebenen Adresse

des jüngsten Autors.

Veröffentlichungen – Beitrag zum Wissenspool

im Fachgebiet Automatisierungstechnik

Die Entwicklung eines Wissensgebietes erfolgt durch

einen kooperativen Prozess zwischen wissenschaftlicher

Grundlagenforschung, Konzept- und Lösungsentwicklung

und Anwendung in der Praxis. Ein solcher

Prozess bedarf einer gemeinsamen Informationsplattform.

Veröffentlichungen sind die essentielle Basis

eines solchen Informationspools.

Der atp-award fördert den wissenschaftlichen Austausch

im dynamischen Feld der Automationstechnik.

Nachwuchsingenieure sollen gezielt ihre Forschungen

präsentieren können und so leichter den Zugang zur

Community erhalten. Der Preis ist mit einer Prämie

von jeweils 2000€ dotiert.

Die Auswahl erfolgt in zwei Stufen:

Voraussetzung für die Teilnahme ist die Veröffentlichung

des Beitrags in der atp edition. Jeder Aufsatz,

der als Hauptbeitrag für die atp edition eingereicht

wird, durchläuft das Peer-Review-Verfahren. Die

letzte Entscheidung zur Veröffentlichung liegt beim

Chefredakteur. Wird ein Beitrag veröffentlicht, kommt

er automatisch in den Pool der atp-award-Bewerber,

vorausgesetzt einer der Autoren ist zum Zeitpunkt

der Veröffentlichung nicht älter als 35 Jahre. Ausgezeichnet

wird der jüngste Autor stellvertretend für alle

Autoren der Gruppe. Eine Jury aus Vertretern der atp-

Fachredaktion und des -Beirats ermittelt schließlich

den Gewinner in den jeweiligen Kategorien Hochschule

und Industrie. Der Rechtsweg ist ausgeschlossen.

Beiträge richten Sie bitte an:

Oldenbourg Industrieverlag GmbH

Herrn Prof. Leon Urbas

Chefredakteur atp edition / automatisieren! by atp

Rosenheimer Straße 145

81761 München

Tel. +49 (0) 89 45051 418

E-Mail: urbas@oiv.de

Beachten Sie die Autorenhinweise der atp edition für

Hauptbeiträge unter folgendem Link:

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als ideeller Wert geht in diesem Fall an die gesamte Autorengruppe, die Dotierung geht jedoch exklusiv an den jüngsten Autor. Grundlage der Teilnahme am Wettbewerb ist die Einsendung

eines Hauptaufsatz-Manuskriptes an die atp-Chefredaktion.

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anche | Special Industrial Ethernet

Parallel Redundancy Protocol und High Availability

Seamless Redundancy sichern doppelt ab

Die Entwicklung deterministischer Redundanzverfahren verhalf Ethernet zum Durchbruch

Ein aktuelles Beispiel für neue Anwendungsgebiete von

Ethernet ist die Automatisierung von Umspannwerken

nach IEC 61850 [1]. Insbesondere der IEC 61850-Prozessbus

ist hierbei eine Herausforderung. Dieser Bus ist

ein Netzwerk, über das mit einer typischen Frequenz von

4 kHz die so genannten Sampled Values (SV), also Abtastwerte

von Strom und Spannung der unterschiedlichen

Phasen, übertragen werden. Dabei dürfen nahezu

keine Abtastwerte verloren gehen. Um solche Netzwerke

fehlertolerant auslegen zu können, bedarf es jedoch neuer

Redundanztechnologien.

Die im Bereich der Industrieautomatisierung bewährten

Redundanz-Kontrollprotokolle MRP [2] und RSTP

(Rapid Spanning Tree Protocol) [3] ermöglichen den Aufbau

fehlertoleranter Ethernet-Netzwerke. Ohne diese

Technologien ist beispielsweise ein solches Netzwerk mit

Medienredundanz nicht möglich. Aufgrund der Rundrufcharakteristik

von Ethernet erzeugt jede zusätzliche

Medienverbindung eine Netzwerkschleife und verursacht

damit ein unkontrolliertes Kreisen der Ethernet

Frames. Dies legt das Netzwerk lahm. MRP und RSTP

verhindern dies, indem sie zusätzliche physikalische

Pfade logisch abschalten und nur bei Bedarf aktivieren

– beispielsweise wenn der ursprüngliche Pfad durch einen

Defekt ausgefallen ist. Die Aktivierung des alternativen

Pfades sowie der Umschaltvorgang nehmen Zeit in

Anspruch, in der die Netzwerkkommunikation unterbrochen

ist. Ein schneller MRP-Ring schaltet unter Normalbedingungen

in circa 5 ms um: Für die Anwendung im

Prozessbus immer noch zu langsam. Bei einer Umschaltzeit

von 5 ms gehen bei der bereits erwähnten 4 kHz Senderate

von SV rund 20 Abtastwerte pro Sender verloren.

Ein ähnliches Bild ergibt sich im Anwendungsbereich

der synchronisierten Achsen: Hier wird mit Zykluszeiten

der Steuerungen im niedrigen Milli- bis Mikrosekundenbereich

gearbeitet, wodurch Umschaltzeiten im Millisekundenbereich

oft nicht toleriert werden können.

Spezifikation zweier Redundanzprotokolle

Um diesen neuen Herausforderungen zu begegnen,

sind im Internationalen Standard IEC 62439-3 [4] zwei

Redundanz-Kontrollprotokolle spezifiziert: das Parallel

Redundancy Protocol (PRP) für parallele, redundante

Netze und die High Availability Seamless Redundancy

(HSR) für Ringnetzwerke. Beide Protokolle

basieren auf der Idee, ein von einem Netzwerkknoten

erzeugtes Datenframe zu verdoppeln und auf zwei redundanten

Netzwerkpfaden gleichzeitig zu versenden.

Dabei werden sowohl das Original als auch das Duplikat

am Ziel empfangen. Nach dem Empfang wird allerdings

nur das erste Frame ausgewertet, während

das Duplikat verworfen wird.

Der Vorteil: Im Fehlerfall ist kein Umschaltvorgang

notwendig, der die Kommunikation unterbricht. Falls

Bild 1:Neue Anforderungen in der Automatisierung fordern die Weiterentwicklung der Ethernet-Technologie.

20

atp edition

7-8 / 2011

einer der beiden Netzwerkpfade ausfällt, ist die Kommunikation

über den zweiten Pfad weiterhin gewährleistet.

Bild 2 zeigt ein exemplarisches PRP-Netzwerk. Das

PRP-Protokoll ist in den Endknoten implementiert.

Diese Knoten werden auch als DANP (Dual Attached

Node for PRP) bezeichnet. Ein von einer Applikation

in einem DANP erzeugtes Frame wird für den redundanten

Versand von der PRP-Schnittstelle, der Link

Redundancy Entity (LRE), verdoppelt. Anschließend

wird es auf beiden Netzwerken, LAN A und LAN B,

gleichzeitig versandt. Zuvor wird jedes Frame von der

LRE mit einer Zusatzinformation, dem PRP Trailer,

versehen. Dieser enthält unter anderem eine Sequenznummer,

die mit jedem versandten Frame im DANP

hochgezählt wird. Anhand der physikalischen Senderadresse

und der Sequenznummer kann ein empfangender

DANP die zwei zueinander gehörenden

Frames identifizieren. Danach verarbeitet er das erste

Frame und verwirft das Duplikat. Um Ethernet-

Geräte ohne PRP-Schnittstelle redundant mit dem

PRP-Netz zu verbinden, wird eine Redundancy Box,

kurz RedBox, eingesetzt. Die LRE einer RedBox arbeitet

für die Geräte ohne PRP-Schnittstelle als Stellvertreter,

verdoppelt deren Frames und führt die

Duplikaterkennung durch. Eine RedBox kann beispielsweise

ein Ethernet Switch sein, der um eine

PRP-Schnittstelle erweitert ist.

Bild2: Ein exemplarisches

PRP-Netzwerk.

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7-8 / 2011


Bild3: Das High Availability Seamless

Redundancy (HSR)-Netzwerk

Bild4:

Anwendungsbeispiel

für die PRP- und

HSR-Technologien.

Bilder: Belden

Ein Nachteil von PRP sind die vergleichsweise hohen

Aufwände, etwa für die Installation, die durch

die doppelt benötigte Netzwerkinfrastruktur entstehen.

Aus diesem Grund wurde aus dem PRP-Prinzip

der HSR-Ring weiterentwickelt. Bild 3 zeigt ein typisches

HSR-Netzwerk. Anstatt die beiden Anschlüsse

der HSR LRE mit Switchen in individuellen LANs zu

verbinden, werden die HSR DANHs (Dual Attached

Node for HSR) zu einem Ring verschaltet. HSR-Geräte

leiten, im Gegensatz zu PRP-Geräten, Frames unter

Verwendung von Cut-through Switching von einem

Anschluss an den anderen weiter.

Die Anbindung von Ethernet-Geräten ohne HSR-

Schnittstelle erfolgt, genau wie bei PRP, über RedBoxen.

Die Redundanz ohne Umschaltzeit wird dadurch

realisiert, dass ein Frame nach der Verdoppelung

durch die HSR LRE gleichzeitig in beiden Richtungen

des Rings versandt wird. Genau wie bei PRP wird bei

HSR jedes Frame mit einer Zusatzinformation beaufschlagt.

Über diese Information wird auch das unkontrollierte

Kreisen von Frames im HSR-Ring verhindert:

Jeder HSR-Teilnehmer kann die von ihm in den

Ring eingeleiteten Frames eindeutig identifizieren

und nach einem Umlauf wieder vom Netz nehmen,

wie in Bild 2 schematisch dargestellt.

Beispiel: Substation Automation

Bild 4 zeigt ein typisches Anwendungsbeispiel für die

PRP- und HSR-Technologien. Ein Substation Automation-Netzwerk

nach IEC 61850 kann mit PRP auf der Sta-

22

atp edition

7-8 / 2011

tionsleitebene und HSR-Ringen auf der Prozessebene

abgedeckt werden. PRP- und HSR-Netze sind hierbei

durch spezielle PRP-HSR-RedBox-Einheiten gekoppelt.

Dieses Anwendungsbeispiel zeigt, das die HSR- und

PRP-Technologien neben der hohen Leistungsfähigkeit

auch flexibel genug sind, um unterschiedlichen Installationsanforderungen

zu erfüllen. Dies ist eine wichtige

Voraussetzung, um den Herausforderungen zu begegnen,

denen Ethernet-Netzwerke der Zukunft gewachsen

sein müssen.

Referenzen

[1] International Standard IEC 61850 – Communication

networks and systems for power utility automation;

Zu beziehen über www.iec.ch

[2] International Standard IEC 62439-2 (2010) – Industrial

communication networks – High availability automation

networks – Part 2: Media Redundancy Protocol;

Zu beziehen über www.iec.ch

[3] IEEE 802.1D-2004 – IEEE standard for local and

metropolitan area networks – Media Access Control

(MAC) bridges; Zu beziehen über GetIEEE802:

http://standards.ieee.org/about/get/802/802.1.html

[4] International Standard IEC 62439-3 (2010) – Industrial

communication networks – High availability automation

networks – Part 3: Parallel Redundancy Protocol

(PRP) and High-availability Seamless Redundancy

(HSR); Zu beziehen über www.iec.ch

Autor

Dipl.-Ing. (FH) Oliver

Kleineberg ist Ingenieur

im Advanced Development

bei Hirschmann

Automation&Control.

Hirschmann - A Belden Brand

Stuttgarter Straße 45-51,

72654 Neckartenzlingen,

Tel. +49 (0) 7127 14 10 35

E-Mail: oliver.kleineberg@belden.com

Unter dem Motto „Studiere Zukunft“ hat die Beuth Hochschule für

Technik Berlin (zuvor Technische Fachhochschule Berlin) die Lehre,

Forschung und Weiterbildung systematisch erneuert. Heute werden

über 10.000 Studierende in 72 akkreditierten Bachelor- und Masterstudiengängen

mit modernster Laborausstattung für eine Karriere in

Wirtschaft und Wissenschaft ausgebildet.

Für das nachstehend aufgeführte Fachgebiet ist folgende

Professur (BesGr. W2) *

zu besetzen:

Kennziffer: 910

Fachgebiet: Maschinenbau-Produktionsautomatisierung

Anforderungen: Bewerber/innen auf diese Stelle verfügen über eine

mehrjährige Erfahrung auf dem Gebiet der Regelungs- und Automatisierungstechnik

im Bereich Maschinenbau. Es wird erwartet, dass

der/die Bewerber/in in der Lage ist, in dem o. a. Fachgebiet die Grundlagen

hervorragend zu vertreten.

Die verstärkte Internationalisierung der Studiengänge erfordert gute

englische Sprachkenntnisse von den Bewerbern und Bewerberinnen.

Die Bewerberinnen/Bewerber müssen fähig sein, das gesamte Fachgebiet

in der Lehre und der angewandten Forschung zu vertreten.

Ebenso wird bei allen Bewerbern und Bewerberinnen vorausgesetzt,

Aufgaben im Bereich der Grundlagenausbildung und im Service zu

übernehmen und engagiert in der akademischen Selbstverwaltung

mitzuarbeiten.

Bei externen Bewerbern/Bewerberinnen wird ein Wohnungswechsel

in den Raum Berlin zur Erfüllung der Dienstpflichten erwartet.

Die Beuth Hochschule für Technik Berlin strebt eine Erhöhung des

Anteils von Frauen im wissenschaftlichen Bereich an. Sie bittet qualifizierte

Interessentinnen nachdrücklich um ihre Bewerbung. Schwerbehinderte

werden bei gleicher Qualifikation bevorzugt.

Voraussetzungen: Berufungsfähigkeit gem. § 100 des Berliner Hochschulgesetzes.

Darüber hinaus kann in Ausnahmefällen auch berufen

werden, wer fachbezogene Leistungen in der Praxis, die ganz besonderen

Ansprüchen genügen, nachweist und über die erforderliche pädagogische

Eignung verfügt. Die Berufung zum Professor/zur Professorin

durch den Senator für Bildung, Wissenschaft und Forschung ist im

Regelfall mit der Ernennung zur/zum Beamtin/Beamten auf Lebenszeit

verbunden.

Bewerbungen mit den üblichen Unterlagen werden unter Angabe der

Kennziffer innerhalb vier Wochen nach Erscheinen an den Präsidenten

der Beuth Hochschule für Technik Berlin, Luxemburger Str. 10,

13353 Berlin, erbeten. Originalunterlagen bitte nur auf besondere Anforderung

einsenden.

Wir bitten Sie, zusätzlich zu Ihrer schriftlichen Bewerbung ein Onlineformular

auszufüllen unter www.beuth-hochschule.de/professur.

* Je nach Qualifikation und Berufserfahrung können neben dem

Grundgehalt der Besoldungsgruppe W2 Berufungs-Leistungsbezüge

gewährt werden.

atp edition

7-8 / 2011

23


Mit Ethernet auf dem Teppich geblieben: Hersteller

rüstet Färbelinie auf neue Technologie um

Geeignete Durchflussmessgeräte ließen Umrüstung zum Erfolg werden

Bild 1: Der Teppichhersteller Shaw Industries ist der größte Lieferant

von Bodenbelägen weltweit. Das US-amerikanische Unternehmen

investierte in die Ethernet-Technologie und fand dank einer Kooperation

mit geeigneten Durchflussmessgeräten eine zukunftsorientierte Lösung.

Bild 2: Die Zahl neuer Messgeräte steigt kontinuierlich in

der Anlage. Der Durchflussbereich hat sich verdoppelt.

Die Krise hat den amerikanischen Immobilienmarkt

erschüttert. Shaw Industries, Marktführer bei Bodenbelägen

für den Wohnbereich, bekam dies hart zu

spüren. Doch das Unternehmen handelte, noch ehe

die Rezession durchschlug – und suchte nach Wegen,

flexibler und effizienter zu produzieren. „Dabei ist uns

mit einer neuen Lösung für das Färben von Teppichböden

ein großer Schritt nach vorn gelungen“, berichtet

Jay McClure, Leiter Technologie und Integration

der Abteilung für Computer-integrierte Fertigung bei

Shaw Industries. Im Mittelpunkt dieser Lösung steht

ein industrielles Ethernet-Netzwerk – und geeignete

Durchflussmesstechnik. Doch der Reihe nach…

Ein Großteil der Teppichböden für den Wohnbereich

wird in einem Tauchbad gefärbt. Dazu werden konzentrierte

Farb- und Zusatzstoffe mit Wasser vermischt.

„Unsere Aufgabe war, eine Anlage so umzurüsten,

dass wir mehr Produkte auf derselben Linie

fertigen können“, erklärt Kevin Espy, leitender Projektingenieur

bei Shaw Industries. Dazu war es nötig, die

Zahl der Injektionskreisläufe auf 40 zu erhöhen.„Vor

allem aber mussten wir die gesamte Anordnung so

abändern, dass wir den Durchflussbereich der einzelnen

Schleifen ausweiten konnten. Denn je nach Faser

brauchen wir ganz unterschiedliche Farb- und Zusatzstoffe

in ganz unterschiedlichen Mengen.“

Zahlreiche Faktoren beeinflussen, wie viel Färbelösung

benötigt wird. Je nachdem, wie lange der Teppich

im Dampfbad vorbehandelt werden muss, läuft

die Anlage mal schneller, mal langsamer. Dunkle

Töne brauchen mehr Farbstoffe; das gleiche gilt für

schwere Teppichqualitäten. Dazu kommen strenge

Anforderungen an die Qualität. „Die Durchflussraten

dürfen höchstens um ein Prozent vom Sollwert abweichen“,

betont Kevin Espy.

Schritt in die digitale Zukunft

Rasch war klar, dass das Ziel mit analoger Signalübertragung

nicht erreichbar war. „Die alte Technik beschränkte

uns in unseren Möglichkeiten“, sagt Jay McClure. „Mit

einem Signalbereich von 4 bis 20 Milliampere hätten wir

nie die Messwertauflösung erreicht, die für einen so großen

Durchflussbereich nötig ist.“ Der Wechsel auf das

digitale Hart-Protokoll lag nahe – und doch kam es anders.

Die neu entworfene Färbelinie sollte mit Plant Pax,

einem Leitsystem von Rockwell Automation, gesteuert

werden. Es arbeitet mit Ethernet/IP, einem auf die Anforderungen

der Industrie abgestimmten und inzwischen in

der Fabrikautomatisierung weit verbreiteten Ethernet-

Protokoll. „Eines Tages“, berichtet Jay McClure, „kamen

die Leute von Rockwell Automation auf uns zu. Sie machten

uns auf ein Coriolis-Durchflussmessgerät mit Ethernet/IP-Anschluss

aufmerksam: Den Promass 83 von

Endress+Hauser.“

„Das Konzept hat uns gleich begeistert“, erzählt

Kevin Espy. Dennoch fiel die Entscheidung nicht

leicht. „Der Wechsel eines Lieferanten ist immer eine

große Sache. Das Personal ist geschult, die Geräte sind

vertraut, die Ersatzteile liegen im Regal –da braucht

es schon überzeugende Argumente.“ Geräte mehrerer

24

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7-8 / 2011

Bild 3: Jay McClure, Eddie Huitt und Kevin Espy

(von links) haben Pioniergeist bewiesen als sie auf die

moderne Ethernet-Technologie umgerüstet haben.

Seither haben sie Ihre Leidenschaft für Daten entdeckt.

Bilder: Endress+Hauser

Hersteller wurden auf Herz und Nieren geprüft, in

Funktion, Genauigkeit und Verlässlichkeit verglichen.

Kommunikationsprotokolle, Gehäuseabmessungen

und natürlich der Preis flossen ein in die Bewertung.

„Der Promass ist dabei herausgestochen“, bringt Kevin

Espy das Ergebnis auf den Punkt. So entschied sich

Shaw Industries am Ende für das Messgerät und für

die Ethernet-Technologie.

„Erleichtert hat uns die Sache, dass im Hintergrund

analoge Messgeräte als Ersatz bereitstanden“, berichtet

Eddie Huitt, Leitsystem-Ingenieur bei Shaw Industries.

„Schließlich waren wir gewissermaßen die Versuchskaninchen

für die neue Technologie.“ Die Installation

verlief, abgesehen von einem defekten Netzwerkstecker,

reibungslos. „Alles ging viel schneller

und einfacher als mit herkömmlicher Feldbus-Technologie“,

fasst Eddie Huitt zusammen. Jedes Instrument

verfügt über eine eigene IP-Adresse. Ist es angeschlossen,

kann über das Netzwerk sofort darauf zugegriffen

werden. „Vor allem bei der Konfiguration

spart man viel Zeit.“

Durchflussbereich hat sich verdoppelt

Seit mehr als einem Jahr arbeitet die neue Anlage nun

störungsfrei. Der Fortschritt ist frappierend: „Der Durchflussbereich

hat sich mehr als verdoppelt. Wir können die

Durchflussrate zwischen 0,5 und mehr als 50 Litern in

der Minute variieren“, sagt Jay McClure. Statt bislang 48

können heute 78 unterschiedliche Produkte auf der gleichen

Linie gefärbt werden. Weil sich die Färbelösung nun

exakt und spezifisch dosieren lässt, sind keine Zwischentanks

mehr nötig. Das senkt den Aufwand und verringert

den Verbrauch an Farb- und Zusatzstoffen. „Wir sparen

Geld und tun etwas für die Umwelt.“ Längst ist die neue

Anlage zum Vorzeigeobjekt geworden, weitere Produktionslinien

sollen umgerüstet werden.

„Letztlich hat uns die Allianz mit Rockwell Automation

die Tür geöffnet“, fasst Paul Karpenko zusammen,

der für den Endress+Hauser Repräsentanten AMJ

Equipment das Unternehmen betreut. Schließlich

garantieren die beiden Partner das reibungslose Zusammenspiel

von Messgeräten und Leitsystemen. Inzwischen

sind die blauen Gehäuse der Messumformer

an vielen Stellen im Betrieb zu sehen. „Shaw Industries

ist in kurzer Zeit zu einem meiner wichtigsten

Kunden geworden.“ Demnächst will das Unternehmen

die pH-Messung mit den im Labor vorkalibrierbaren

Memosens-Elektroden testen, ebenso die Viskositätsmessung

mit dem Coriolis-Instrument Promass I – und

das magnetischinduktive Durchflussmessgerät Promag

53, ebenfalls mit EtherNet/IP.

„Wir haben eine Leidenschaft für Daten“, sagt Jay

McClure. „Und mit Ethernet bekommen wir eine Fülle

an Information geliefert.“ Monat für Monat werden

eine Milliarde Datensätze auf den Festplatten der Automatisierungsspezialisten

abgelegt. „Bislang werten

wir diese Informationen kaum aus. Das wird sich in

Zukunft sicher ändern“, meint der Leiter Technologie

und Integration. Er ist überzeugt, dass sich in den

Daten der Messgeräte frühzeitig Hinweise auf Fehlfunktionen

finden ließen. „Wir könnten handeln, noch

ehe es ein echtes Problem gibt.“

Jay McClure hat deshalb keine Zweifel, dass sich die

neue Technologie auf breiter Front durchsetzen wird.

„Am liebsten“, sagt er, „hätten wir alle Messgeräte mit

Ethernet!“

Autor

Martin Raab ist Corporate

Public Relations Manager

der Endress+Hauser Gruppe.

Endress+Hauser Messtechnik GmbH+Co. KG,

Colmarer Straße 6, D-79576 Weil am Rhein

Tel.+49 (0) 7621 97 55 56

E-Mail: kerstin.loeffler@de.endress.com

atp edition

7-8 / 2011

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anche

IEC 61508: So entwickeln Anfänger

normgerechte Komponenten

Sicherheitsgerichtete Feldgeräteentwicklung für Hersteller

Der Bedarf an sicheren Maschinenkomponenten in der

Automatisierungstechnik und der Prozesstechnik

wächst. Damit kommen auf Komponentenhersteller viele

Anforderungen zu, bevor sie eine SIL-Komponente

verkaufen dürfen. Für die Entwicklung nach IEC 61508,

DIN EN 62061, DIN IEC 61511 stehen Ingenieure und

Entscheider vor dem Problem, die Risiken, Kosten und

den Einfluss auf ihre Organisation abzuschätzen. Die IEC

61508 beschreibt Methoden und Anforderungen zur Minimierung

des Risikos für Gesundheit und Kapital, das

von einer Maschine oder Anlage ausgeht. Betroffen und

daher verantwortlich ist jeder, der am Produktlebenszyklus

in irgendeiner Form mitwirkt.

Wer als Unerfahrener erstmals ein Produkt mit SIL am

Markt vertreiben möchte, muss dieses nicht nur funktional

sicher entwickeln, sondern auch das Functional

Safety Management in seiner Organisation etablieren

und nachweisbar leben, damit er die Beweislastumkehr

im Schadensfall vor Gericht antreten kann. Es gibt viele

Fallstricke und zu klärende Fragen bezüglich der Firmenprozesse

und der Produktentwicklung. Folgende

Bereiche müssen unter anderem untersucht werden:

Firmenprozesse, Entwicklungsprozess, Qualitätswesen

sowie Personalstruktur, Qualifikationen und Verantwortungen.

Entlang des Produktlebenszyklus müssen

nach der Phase Entwicklung auch Anforderungen an

Fertigung, Inbetriebnahme, Wartung/Reparatur und Außerbetriebnahme

erfüllt werden, um auch hier Fehlerquellen

zu minimieren.

1. In sechs Schritten zur sicheren Komponente

So kann die Entwicklung für eine funktional sichere

Komponente ablaufen:

Schritt 1a:

Schritt 1b:

Safety Workshop (technisch)

(Bild 1-Definition der Lasten)

Functional Safety Grundlagenseminar

(Management mit ins Boot nehmen)

(Bild 1-Definition der Lasten)

Schritt 1c: Sicherheitsanforderungen, Safety Plan,

V&V-Plan (Bild 1-Sicherheitskonzept)

Schritt 2: Concept Approval (Bild 1-Konzeptfreigabe)

Schritt 3-5: Safety Hardware und

Software Entwicklung

(Design, Integration, Test)

(Bild 1-Entwicklung, Bild 2)

Schritt 6: Zertifizierung (Bild 1-FS Assessment)

1.1 Schritt 1a: Safety Workshop

In einem Safety Workshop können die übergeordneten

Anforderungen des Produktmanagements gesammelt

und eine erste Grob-Architektur mit einer System-

FMEA auf Blockebene erstellt werden. Die sichere

Funktion und der sichere Zustand des Produktes werden

beschrieben. Bei komplexen Projekten ist es ratsam,

bereits zu diesem Zeitpunkt einen unabhängigen

Safety Assessor (zum Beispiel TÜV, IFA) für eine Vorkonzeptbesprechung

einzubeziehen, um effizienter

zur Konzeptfreigabe zu gelangen.

Tipp: Ein unabhängiger Assessor hilft während der

gesamten Entwicklung beim Aufbau und der Bewertung

der benötigten Prozesse. Er sollte wenigstens in einer

anderen Abteilung, besser in einer anderen Organisation,

angestellt sein.

1.2 Schritt 1b: Grundlagen – auch fürs Management

Häufig bestimmt der Tunnelblick die Abläufe in Organisationen.

Der Produktmanager sieht nur sein Produkt,

die Entwickler sehen nur die ihnen zugewiesenen Aufgaben

und das Management ist sich der Implikationen

der funktionalen Sicherheit auf die gesamte Firma mit

ihren Prozessen und Abläufen nicht bewusst. Hilfreich

ist ein FS Grundlagenseminar, wie es vom TÜV angeboten

wird. Hier wird entlang des zukünftigen Produktes

das Thema Funktionale Sicherheit für alle Hierarchieebenen

erklärt. Die mögliche Folge: Die Prozesse

werden nun dokumentiert.

1.3 Schritt 1c:

Safety Plan, Sicherheitsanforderungen / Konzept

Der Safety Plan legt dar, auf welcher Grundlage das

Produkt sicher sein wird, beschreibt Prozesse und

Verantwortungen sowie organisatorische Dinge (z. B.

verweist auf das Qualitätshandbuch). Er ist ein zentrales

Dokument und steht am Anfang jeder Entwicklung.

Im Verification & Validation Plan (V&V-Plan)

kann gelesen werden, wie, wann, von wem, was verifiziert

und am Ende validiert wird. Entlang jeder Lebenszyklusphase

werden so Verantwortungen, Qualitätsmanagement,

Konfigurationsmanagement, Änderungsmanagement,

Tooling und Maßnahmen zur

Fehlervermeidung dokumentiert. Sicherheitsanforderungen

und Sicherheitsintegritätsanforderungen

(SRS) müssen systematisch (bei mittleren und großen

Projekten besser mit einem datenbankbasierten Werkzeug)

erfasst werden. Sicherheitskonzepte für Hardware

und Firmware dokumentieren die Machbarkeit

der SRS. Die Dokumente werden nach einer Review

mit dem Ziel der Vollständigkeit und Verständlichkeit

zur Konzeptprüfung eingereicht.

1.4 Schritt 2: Die Konzeptprüfung

Beurteilt werden neben dem Safety Plan die Sicherheitsanforderungen

und der V&V-Plan. Inhalte sind unter anderem

Safety Policy des Unternehmens

Organisationsstruktur der Firma

Personal, Verantwortungen, Qualifikation

Prozessbeschreibungen

Standards und Vorlagen

Das Ergebnis ist ein Reviewbericht mit klassifizierten

Punkten. Die Punkte müssen gemäß Änderungsprozess

behoben werden. Betroffen sein kann die Ge-

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atp edition

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Bild 1. Beispiel

für den gemeinsamen

Weg von

Produkthersteller,

Entwicklungsdienstleister

und Zertifizierungsstelle

bei einer

Sicherheitsentwicklung

nach

IEC 61508 in sehr

groben Schritten

Bild 2: Entwicklungsprozess für Hardware und Software gemäß V-Modell

schäftsführung, der Vertrieb, die Entwicklung und so

weiter. Danach kann die eigentliche Entwicklung

nach V-Modell beginnen.

Parallel zu allen Phasen startet nun der Assessment

Prozess mit geplanten Reviews und Berichten. Während

aller Entwicklungsphasen muss das Vier-Augen-Prinzip

gelten (geplante, protokollierte Reviews mit Freigabe

durch benannte Personen). Dabei darf ein Autor nicht

selbst sein Werk testen. Eigenschaften und Änderungen

müssen nachvollziehbar sein (Traceability), im einfachsten

Fall mit einer Traceabilitymatrix oder auch mit einem

Datenbankwerkzeug.

1.5 Schritt 3: Design

Beim Firmware Design kann ein CASE-Tool mit möglicher

Anbindung an die Anforderungen-Datenbank hilfreich

verwendet werden. Hierdurch lassen sich weitere Fehler

vermeiden und eine Nachvollziehbarkeit (Traceability)

sicherstellen. Das fertige Firmware Design wird einer Software

Kritikalitätsanalyse (FMECA oder SWCA) unterzogen.

Hierbei werden alle Operationen klassifiziert in Bezug

auf ihren Einfluss auf sicherheitskritische Funktionalität.

Kontroll- und Datenfluss für jede Operation werden analysiert.

Das Ergebnis sind Maßnahmen zur Fehlervermeidung

oder -beherrschung, die im Design umzusetzen sind.

atp edition

7-8 / 2011

27

anche

Auch im Hardware Design kommen Tools für Berechnungen

und Simulation zum Einsatz. Nach Erstellung der

Hardware Schemas wird eine FMEDA auf Bauteilebene

durchgeführt, um die erreichte PFH für jede Sicherheitsfunktion

zu bestimmen. Das Design ist nun abgeschlossen.

Testfälle werden spezifiziert mit Bezug auf die betroffenen

Anforderungen, das heißt jeder Testfall zeigt, welche

Anforderungen damit getestet werden. In der Regel wird

man zuerst Black-Box-Tests definieren, um die Gerätefunktionalität

sicherzustellen. Dann werden Anforderungen

übrig bleiben, die weitere Testfälle erfordern. Werden alle

Tests ebenfalls datenbankbasiert spezifiziert, kann die Testabdeckung

automatisiert gewährleistet werden. Den Abschluss

bildet eine Design Review durch eine qualifizierte

Person mit dem Ziel der Erfüllung aller Anforderungen.

1.6 Schritt 4: Design Integration

Hier wird das Layout erstellt (Luft- und Kriechstrecken

beachten!), Boards werden bestückt und vorab in Betrieb

genommen. In der Firmware wird gemäß des Firmware

Designs implementiert. Zur Qualitätssicherung sind statische

Codeanalysen mit Softwaremetriken, Unit Testing

und Code Coverage Tests unerlässlich. Defensive Programmierung

sollte angestrebt werden. Ein Codierstandard

wie MISRA-C 2004 hilft, Fehler zu vermeiden.

Anschließend wird entwickelte Hardware mit einer

Test-Firmware in Betrieb genommen, um Schnittstellentests

durchzuführen. Die Integration ist beendet, wenn

die Hardware beweisbar funktioniert. Erst jetzt wird die

Hauptfirmware auf der neuen Hardware schrittweise

integriert und verifiziert.

1.7 Schritt 5: Test

Black-Box-Tests auf Systemebene werden für alle Systemfunktionen

durchgeführt, die sich auf externe Schnittstellen

auswirken. Dazu gehören Funktionstests unter Normalbedingungen,

Temperaturtests wie auch EMV-Tests und

Umwelttests gemäß den anzuwendenden Normen. White-

Box-Tests im Bereich Hardware sind die Charakterisierung

an einem Muster (Signalpegel, -form, Ströme, Wärme) oder

Firmware Verifikation (Timings, Interrupts, Belastung,

Teil-Funktionalität). Fault Insertion Tests in Hard- und

Software werden angewendet, um zu beweisen, dass sich

Fehler auch wirklich funktional sicher beherrschen lassen.

Tests werden in separaten Protokollen (nicht in der Testspezifikation)

so dokumentiert, dass jeder Test reproduzierbar

ist. Daraus folgt, dass automatisierte Tests in jedem Fall

zu bevorzugen sind. Alle Berichte und Protokolle sind aufzubewahren.

Mängel sind gemäß dem definierten Änderungsprozess

zu bewerten und zu beseitigen. Funktioniert

das Produkt nach allen Spezifikationen korrekt, so kann

das Produkt zur Zertifizierung eingereicht werden.

1.8 Schritt 6: Zertifizierung

Während der Zertifizierung wird die gesamte Entwicklungsdokumentation

begutachtet. Es wird nachvollzogen,

inwieweit die Anforderungen der IEC 61508 eingehalten

wurden. Stichprobenartig wird vom Assessor von der Einhaltung

organisatorischer Anforderungen über das Projektvorgehen

bis auf Einzelbauteilebene (Hardware) und Codezeile

(Software) nach Konformität geprüft. Wenn diese in

allen Punkten festgestellt wird, wird das Zertifikat erteilt.

Fazit

Keine Angst vor einer Funktional Safety Entwickung – es gibt

einen erprobten Weg! Wenn alle Schritte beachtet werden und

erfahrene Helfer einbezogen werden, kann man auch als Einsteiger

mit wenig Erfahrung ein SIL-Produkt entwickeln und

das Ziel – die Zertifizierung – erreichen. Die Unterstützung

durch externe Dienstleister kann dabei den Weg von der

IEC-Norm über das Sicherheitskonzept und dessen Umsetzung

bis zum serienreifen Produkt erheblich erleichtern.

Abkürzungsverzeichnis

Autoren

SIL

SFF

CASE

FMEA

FMECA

FSM

FW

HW

PFH

SRS

SWCA

FMEDA

Safety Integrity Level

Safe Failure Fraction: Anteil aller Fehler, die zum sicheren Zustand

führen. Design Größe

Computer aided software engineering

Failure mode and effect analysis

Failure mode and effect criticality analysis

Funktionales Sicherheitsmanagement:

Baut auf QM-System auf

Firmware (embedded Software)

Hardware

Probability of failure per hour:

Fehlereintrittswahrscheinlichkeit pro Stunde

Sicherheitsanforderungen Specification: Beinhaltet Sicherheitsanforderungen

und Sicherheitsintegritätsanforderungen auf

Produktebene

Software criticality analysis

Auch: Hardware FMEA – FMEA auf Bauteilebene

Dipl.-Ing. Andreas Keller

(geb. 1971) arbeitete an

diversen Projekten in

Deutschland sowie in den

USA. Seit 2004 hat er sich

auf das Thema Funktionale

Sicherheit spezialisiert.

Seit 2003 arbeitet er bei

Mesco als TÜV-zertifizierter

„Functional Safety Engineer“, Gruppenleiter,

Projektleiter und Kundenberater für sicherheitskritische

Entwicklungen.

Mesco Engineering GmbH,

Wiesentalstr. 74, D-79539 Lörrach,

Tel. +49 (0)7621 89031-0,

E-Mail: Andreas.Keller@mesco.de

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Hauptbeitrag | Automation 2011

Vergleichende Bewertung

von Anlagenkonzepten

Werkzeugunterstützte Optimierung von Lebenszykluskosten

Ein Verfahren zur vergleichenden Beurteilung von Investitionsalternativen in Bezug auf

die Lebenszykluskosten (LCC) von Produktionsanlagen ist Thema dieses Beitrags. Das

durch ein entsprechendes Werkzeug unterstützte Verfahren ermöglicht es Betreibern und

Planern von Anlagen, technische Varianten in Bezug auf die über den Lebenszyklus der

Anlagen zu erwartenden Gesamtkosten zu bewerten. Anhand von Beispielen werden

Anwendungsmöglichkeiten aus dem Bereich von Anlagen der kommunalen Wasserwirtschaft

vorgestellt.

SCHLAGWÖRTER Energieeffizienz / Lebenszykluskosten / Investitionsentscheidung /

Anlagenkonzepte

Comparative Assessment of Plant Concepts

Tool assisted optimization of life cycle costs

A method is presented to evaluate and compare different concepts and investment alternatives

with respect to the expected life cycle cost (LCC) of production plants. The method,

which is also supported by a related tool, enables end-users and engineering companies

to assess and compare different technological variants in a standardized procedure with

respect to LCC. The applicability of the approach and the tool is presented based on examples

of municipal water treatment plants in Germany.

KEYWORDS Energy efficiency / Life cycle costs / investment decision / Plant concepts

30

atp edition

7-8 / 2011

Dr.-Ing. Eckhard Roos, Festo AG&Co KG

Energieeffizienz und die Optimierung spezifischer

Produktionskosten sind zentrale gesellschaftliche

und betriebliche Themen, denen

wir uns stellen müssen. Energieeffiziente

Technologien sind in der Investitionsphase

oftmals teurer als traditionelle Technologien. Über den

gesamten Lebenszyklus einer Produktionsanlage zahlen

sich Maßnahmen zur Effizienzsteigerung und zur

Senkung der Lebenszykluskosten einer Anlage (LCC)

aber meistens aus.

Die zu erwartenden Gesamtkosten von Produktionsanlagen

über den Lebenszyklus, der bei Anlagen der

kommunalen Wasser- und Abwasseraufbereitung und

bei verfahrenstechnischen Produktionsanlagen bis zu

25 Jahre betragen kann (Bild 1), können aber in Abhängigkeit

der (verfahrens)technischen Auslegung der Anlagen

und der eingesetzten Automatisierungskomponenten

und -systeme stark variieren. Eine Anlagen- beziehungsweise

Automatisierungsvariante mit niedrigsten

Investitionskosten muss bei einer Betrachtung der Summe

aller Kosten des Lebenszyklus nicht immer das betriebswirtschaftliche

Optimum darstellen.

Eine reine Betrachtung der Investitionskosten bei der

Bewertung von Alternativtechnologien greift zu kurz

und kann bei der Aufgabe der Senkung von LCC zu falschen

Schlüssen führen. Leider werden Investitionsentscheidungen

aber auch heute noch oftmals ausschließlich

auf Basis der Investitionskosten getroffen, obwohl

unter anderem die öffentliche Vergabeordnung fordert,

dass auch LCC und Energieeffizienz bei der Evaluierung

von Alternativtechnologien zu berücksichtigen sind.

1. Potenziale der Energieeffizienzoptimierungen

In der Gesamtkette des Energiestromes von der Primärenergieförderung

bis zur Umwandlung von elektrischer

Energie in Wärme, kinetische oder potentielle Energie

treten Verluste auf wie zum Beispiel beim Transport

durch Pipelines oder bei der Umwandlung der Primärenergie

in elektrische Energie in Kraftwerken. Die größten

Potenziale zur Steigerung der Energieeffizienz werden in

den Produktionsprozessen der Verfahrenstechnik und der

Fertigungstechnik gesehen [1].

Das Potenzial kann dabei durch verschiedene Maßnahmen

ausgeschöpft werden, wie zum Beispiel durch

Anwendung energieeffizienter Einzelkomponenten

(beispielsweise energieeffiziente Motoren)

Automatisierungsstrukturen, die eine Anlagenfahrweise

angepasst an die jeweiligen Anforderungen

ermöglichen (wie Sauerstoffeintrag in Klärwerken

in Abhängigkeit der aktuellen Parameter der

Schmutzfracht)

geänderte technische Auslegungen der Anlagen

(siehe Beispiele in diesem Artikel)

Weitere Kennwerte aus einer Studie des Bundesumweltamtes

aus dem Jahre 2006 zeigen das enorme Potenzial

an Möglichkeiten der Effizienzsteigerung am Beispiel

kommunaler Kläranlagen [2]. Kommunale Kläranlagen

verbrauchen im Durchschnitt 4400 GWh (pro Jahr), was

0,7% des bundesweiten Verbrauchs an elektrischer

Energie,

20% des Verbrauchs elektrischer Energie der

Kommunen und

einem Äquivalent von 3 Mio t CO2 entspricht.

Die größten Verbraucher der Energie in Klärwerken sind

dabei

Einrichtungen zur Belüftung

Pump- und Rührwerke

Schlammbehandlung.

In Klärwerken gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten,

die Energieeffizienz zu steigern. Zum einen werden

laut [2] durch Faulgaserzeugung und dessen Verstromung

schon etwa 865 GWh (zirka 20% des Gesamtbedarfs)

in den Anlagen selbst erzeugt. Dieses Potenzial

kann sicherlich noch weiter ausgebaut werden. Zum

atp edition

7-8 / 2011

31


BILD 1: Kosten über den Lebenszyklus von

Produktionsanlagen, schematische Darstellung

BILD 2: Potenziale für Energieeffizienzsteigerungen [1]

anderen schätzen Experten die Möglichkeiten von Einsparungen

der elektrischen Energie auf bis zu 20%.

Wenn man dieses Potenzial in Relation zu den Steigerungsmöglichkeiten

der Energieerzeugung aus Faulgas

setzt, erkennt man, dass durch die Ausschöpfung von

Maßnahmen der Energieeffizienzsteigerung energetisch

gesehen das gleiche Ergebnis erreicht werden kann, wie

durch eine Verdopplung der Erzeugung elektrischer

Energie durch Faulgasverstromung.

Dies bedeutet, Energieeffizienz sollte sich also rechnen.

Gleichzeitig wird aber auch die Notwendigkeit der

Nutzung von Systemen des Energiemonitoring deutlich,

denn nur was messbar ist, kann auch optimiert werden.

Und nur das ständige Monitoring der Auswirkungen von

Maßnahmen der Energieeffizienz ermöglicht die Sensibilisierung

des Betriebspersonals und die Implementierung

eines dauerhaften Bewusstseins für das Thema

Energieeffizienz. In jedem Fall ist jedoch ein stärkeres

und vor allem auch konsequenteres Handeln in Richtung

Energieeffizienz und LCC-Optimierung erforderlich.

2. Toolunterstützung zur Bewertung von

Alternativtechnologien nach LCC [1]

Derzeit sind noch wesentliche Barrieren vorhanden, die

eine Durchdringung/Implementierung der Bewertung

von Maßnahmen zur Minimierung der LCC bei Investitionsentscheidungen

vor allem im öffentlichen Auftragswesen

verhindern. Hierzu zählen:

eine gewisse ‚Blaupausenmentalität‘, das heißt mögliche

neue und effizientere Technologien werden

nicht in den Planungsprozess eingebracht, da im

Sinne der Optimierung von Planungskosten meistens

auf traditionelle Lösungen, die der Planer und

Betreiber kennt, zurückgegriffen wird.

mangelnde Erfahrung in der Bewertung von Alternativtechnologien.

Eine Investitionsentscheidung ist für

die Betreiber von Wasser- beziehungsweise Abwasseranlagen

keine häufig wiederkehrende Aufgabe.

Oftmals steht diese Aufgabe nur einmal in fünf Jahren

an. Die vorhandene Erfahrung zur Bewertung von

Alternativtechnologien ist daher häufig nicht vorhanden

und der Aufwand zur Einarbeitung in Methoden

der Bewertung von Alternativtechnologien ist sehr

hoch für diese sehr selten zu durchlaufenden Arbeitsschritte.

Daher wird der Aufwand meistens nicht

betrieben und auf bekannte Verfahren zurückgegriffen.

Die Bewertung wird ausschließlich auf Basis der

Investitionskosten vorgenommen.

fehlende Anreizsysteme für die Optimierung der

Anlagentechnologien. Die Planungsleistungen

werden nach vorgegebenen Honorarordnungen ver-

32

atp edition

7-8 / 2011

BILD 4: Übersicht über

das Pumpwerk

BILD 3: Eingabemaske und Ergebnispräsentation des

Excel-basierten ZVEI-Tools zur Bewertung von Alternativtechnologien

in Bezug auf Energieeffizienz und LCC

BILD 5: Tropfkörperanlage

gütet, die sich an der Gesamtsumme der Investitionskosten

orientieren. Ein Anreiz, über die Honorarordnung

auch Investitionen in Energieeffizienz

und LCC Optimierung zu fördern, ist derzeit nicht

vorhanden; das führt wiederum zur ‚Blaupausenmentalität‘.

Um die Berücksichtigung von energieeffizienten Technologien

und des LCC-Gedankens im Vergabeprozess

– vor allem im öffentlichen Bereich – zu stärken, hat

der ZVEI zusammen mit dem Unternehmen Deloitte ein

anwendungsfreundliches Instrument entwickelt. Es

stellt unterschiedlichste Alternativtechnologien unter

Einbeziehung von Fragen der Energieeffizienz und der

LCC und deren Auswirkungen transparent dar und

macht sie über den Betrachtungszeitraum monetär vergleichbar.

Das Excel-basierte Werkzeug wird dabei durch die folgenden

Punkte charakterisiert [1] :

Abbildung des vollständigen Lebenszyklus einer

Anlage vom Engineering über die Installations- und

Betriebsphase bis zur Deinstallationsphase

Berücksichtigung aller relevanten betriebswirtschaftlichen

Kostenfaktoren, wie zum Beispiel Personal,

Material, Energie, Fremdleistungen, Finanzierung

Möglichkeit der strukturierten Berücksichtigung

und Analyse ausgewählter Kostenhaupt- und -unterkategorien

Parametrierbarkeit von Merkmalen, die eine Vergleichbarkeit

zu einem Stichtag ermöglichen, wie

beispielsweise Diskontierungssatz

Auswertung über Kennzahlen mit entsprechenden

grafischen Aufbereitungen

Der wesentliche Vorteil des Tools ist, dass es nicht nur

die Betrachtung einzelner Komponenten (wie drehzahlgeregelte

Antriebe, energieeffiziente Antriebe) ermöglicht,

sondern es können auch völlig unterschiedliche Maßnahmen

innerhalb einer Anlage einer ganzheitlichen Betrachtung

unterzogen und entsprechend monetär über den

Lebenszyklus bewertet werden.

3. Beispiel: Pumpenkonfiguration

Wie eine Anlagenmodernisierung konkret umgesetzt

werden kann und welche Vorteile sie dem Betreiber bietet,

lässt sich am Klärwerk Böblingen-Sindelfingen verdeutlichen;

es reinigt die Abwässer von 250.000 Einwohnern.

Neben der mechanischen und biologischen Reinigungsstufe

sowie der Schlammbehandlung wird hier als

zusätzliche Reinigungsstufe eine Flockungsfiltration

atp edition

7-8 / 2011

33


nachgeschaltet, um die Gewässergüte des Flusses

Schwippe zu verbessern. Derzeit wird eine Aktivkohlebehandlung

gebaut, die nach Fertigstellung der Flockungsfiltration

noch vorgeschaltet wird.

Das folgende Beispiel wurde im zentralen Pumpwerk

der Kläranlage realisiert. Das Abwasser aus der Vorklärung

wird in das Verteilungsbauwerk für die sieben

Tropfkörper (Bild 4, 5) gepumpt.

Dafür stehen sechs Kreiselpumpen im Pumpenkeller

zur Verfügung. Davon sind je nach Belastungsgrad drei

bis fünf Pumpen in Betrieb, eine Pumpe wird als Redundanz

vorgehalten. Die Kenndaten jeder Pumpe sind:

Nennleistung 90 kW, Nennspannung 400V, Förderleistung

500 l/s bei einer Förderhöhe von 8-9 m. Die Nennweite

der Druckleitung beträgt DN350. Das Pumpwerk

war vor dem Umbau standardmäßig wie in Bild 6 dargestellt

wird:

Die Situation vor dem Umbau war durch folgende

Merkmale gekennzeichnet:

a) ständiger Druckverlust und damit Energieverlust

über der Rückschlagklappe

b) Reduzierung des effektiven Rohrleitungsquerschnitts

durch die sich im Volumenstrom befindliche

Klappe

c) Wasserschläge beim Schließen der Klappe mit entsprechenden

Schwingungen des Rohrleitungssystems

d) Gasbildung vor der Klappe bei längerem Pumpenstillstand.

Diese verhindert das automatische Öffnen

der Rückschlagklappe beim Anlauf der Pumpe,

manuelles Öffnen ist dann erforderlich

e) größere Einbaumaßnahme wegen der erforderlichen

Personenschutzeinrichtungen bedingt durch die

beweglichen Teile der Rückschlagklappe

Die Lebensdauer einer Rückschlagklappe beträgt erfahrungsgemäß

etwa zwölf Jahre, der kontinuierliche Verschleiß

ist aber nicht erkennbar, das heißt auftretende

Undichtigkeiten werden nicht erkannt.

Im Rahmen des nötigen Ersatzes der Rückschlagklappe

wurde die Gesamtkonfiguration nochmals technologisch

untersucht. Das Ergebnis führte dazu, dass die

Rückschlagklappe vollständig und funktional ersetzt

wurde durch eine pneumatische Automatisierung der

bestehenden manuellen Absperrschieber (Bild 7). Ein

zusätzlicher Druckluftspeicher wurde installiert, um

auch im Notfall ausreichend Reserve zur Betätigung der

Absperrschieber bereitzustellen.

Die Anordnung der Aggregate nach dem Umbau zeigt

Bild 7. Durch die modifizierte Pumpenkonfiguration werden

die erwähnten Nachteile a - e der Ursprungsinstallation

künftig vermieden und gleichzeitig wird eine

längere Standzeit der Aggregate erreicht.

Die Vorteile aus Sicht der Energieeffizienz sind ebenfalls

erheblich. In Summe werden

2% des Gesamtbedarfs an elektrischer Energie der

Kläranlage pro Jahr eingespart

4% des Gesamtbedarfs an elektrischer Energie der

Pumpen pro Jahr eingespart.

Die Investitionen betragen bei

einem Ersatz der Rückschlagklappe durch

eine neue Klappe min. 18.000 EUR

einem Umbau wie beschrieben (Bild 7)

etwa 25.000 EUR

Die eingesparten Energiekosten betragen zirka 11.300

EUR/a

Der ROI ist < ein Jahr

Bei günstigeren hydraulischen Verhältnissen in der

Anlage können nach Abschätzungen des Betreibers

bis zu 10% der jährlichen Pumpenenergie eingespart

werden.

Zudem ist die gesamte Struktur des Pumpwerkes (Bild 8)

wesentlich übersichtlicher, auch konnte überall Platz gewonnen

und der Lärmpegel deutlich gesenkt werden. Da

die Absperrschieber dicht schließen, treten keine unerkannten

Leckagen mehr im Betrieb auf.

4. Beispiel: Antriebstechnologien

Durch die Universität Braunschweig wurde für eine neue

Teilanlage des Zweckverbandes Wasserversorgung Kleine

Kinzig ein Vergleich unterschiedlicher Antriebstechnologien

durchgeführt [3]. In der Studie wurde an dieser

realen Anlage elektrische Antriebstechnik mit pneumatischer

Antriebstechnik verglichen – auf Basis der für

diese Anlage typischen Parameter. Der Anlagenteil der

Vorreinigung besteht dabei aus acht Filterbecken angeordnet

in zwei Ebenen.

Jedes Filterbecken ist ausgerüstet mit sieben Auf/Zu-

Ventilen und einem Regelventil. Die Schalthäufigkeit der

Ventile ist extrem niedrig, unter Umständen nur einmal

pro Tag. Innerhalb der Studie wurden die folgenden Parameter

in den einzelnen Phasen des Lebenszyklus der

Anlage berücksichtigt:

Kosten in der Anschaffungs- und Installationsphase

Projektierung

Beschaffung

Montage und IBS

Nutzungsphase

Energiekosten

Inspektions- und Wartungskosten,

Reparaturkosten

Demontage und Entsorgungskosten

Ein wesentlicher Punkt für Untersuchungen der Lebenszykluskosten

von Anlagen ist die funktionale

Abgrenzung des betrachteten Systems. Die Bilder 11

und 12 zeigen die jeweilige Abgrenzung der Systeme

aus Sicht der Automatisierungstechnik, der Energieversorgung

und des Prozessanschlusses für das beschriebene

Beispiel. Hierbei geht es unter anderem

darum, auch Betriebsphilosophien und Anforderungen

in diesem Vergleich abzubilden, da diese Anforderungen

zum Beispiel Auswirkungen auf Investitions-

und Betriebskosten haben können. In dem beschriebenen

Beispiel wurde vorausgesetzt, dass bei

Ausfall der elektrischen Energieversorgung die Anla-

34

atp edition

7-8 / 2011

BILD 6: Schematische Darstellung der

Pumpenkonfiguration vor dem Umbau

BILD 7: Schematische Darstellung der

Pumpenkonfiguration nach dem Umbau

BILD 9:

Prozessventile

der Filterbecken

BILD 10:

Anlagenübersicht

BILD 8: Pumpwerk nach dem Umbau

BILD 11: Abgrenzung des

pneumatischen Systems

BILD 12: Abgrenzung des

elektrischen Systems

atp edition

7-8 / 2011

35


BILD 13: Detailplanung

pneumatische Lösung

BILD 14: Detailplanung

elektrische Lösung

BILD 15: Vergleich der LCC (in

EUR) über einen Betrachtungszeitraum

von 25 Jahren

Investitionsprojekt I:

pneumatische Antriebstechnik

oInvestitionsprojekt II:

elektrische Antriebstechnik

36

atp edition

7-8 / 2011

ge in jedem Fall noch bedienbar sein sollte. Dies ist in

dem Vergleich durch eine entsprechende Notstromversorgung

realisiert worden.

Die Anlage wurde dann komplett in Bezug auf die zu

erwartenden Engineering- und Montagekosten untersucht.

Hierzu wurde ein Detailengineering durchgeführt

einschließlich der Ermittlung von Kabel- und Schlauchlängen,

erforderlicher Infrastruktur, Definition örtlicher

Verteilungen und so weiter (Bild 13 und 14).

Ein Vergleich der LCC (Bild 15) über einen Betrachtungszeitraum

von 25 Jahren zeigt für diese Anlage, dass

die Betriebskosten inklusive der Wartungskosten im

Vergleich zu den Investitionskosten einen deutlich

niedrigeren Stellenwert haben

die Kosten für die elektrische und pneumatische

Energie bei Anlagen, die eine entsprechend geringe

Schalthäufigkeit aufweisen, vernachlässigbar sind.

Derartige Ergebnisse spiegeln immer nur die Gegebenheiten

der real untersuchten Anlage wider. Eine Übertragung

auf Anlagen gleichartiger Charakteristik ist sicher

möglich. Eine Übertragung auf Anlagen mit anderen Charakteristiken

ist nicht zulässig, da hier andere Parameter

eine deutlich gewichtigere Rolle spielen können. Der Verbrauch

an Energie ist bei der untersuchten Anlage wegen

der geringen Schalthäufigkeit der Ventile zu vernachlässigen.

Dementsprechend sind die Kosten während der

Betriebsphase deutlich geringer als die Investitionskosten.

Bei Anlagen der Fertigungstechnik ist zumindest die

letzte Aussage nicht per se zutreffend, da bei diesen Anlagen

das Verhältnis von Energiekosten zu Investitionskosten

deutlich größer ist. Eine Übertragbarkeit der Ergebnisse

ist daher nicht ohne weiteres möglich.

sich Energieeffizienz und LCC Optimierung

auszahlen

LCC Betrachtungen zu einem integralen Bestandteil

des Planungs- und Vergabeprozesses bei

Investitionsvorhaben wird

Das Tool des ZVEI hat hier eine wesentliche Voraussetzung

geschaffen, dass die aktuell noch vorhandenen Barrieren,

die die Betrachtung der LCC im Planungs- und

Entscheidungsprozess behindern, abgebaut werden. Die

Anwendung des Tools ist nicht auf Investitionsprojekte

der öffentlichen Hand beschränkt, das Tool ist für Projekte

aller Art nutzbar.

Manuskripteingang

30. mai 2011

Referenzen

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet

[1] ZVEI: Flyer Energieeffizienz rechnet sich!,

Veröffentlichung April 2011

[2] Umweltbundesamt: Studie ‚Steigerung der Energieeffizienz

auf kommunalen Kläranlagen‘, 2006

[3] Tobias Beck: Entwicklung und Implementierung eines

Konzeptes zur lebenszyklusorientierten Bewertung

von Antriebstechniken für Industriearmaturen,

Diplomarbeit TU Braunschweig. Mai 2007

Zusammenfassung

In der Steigerung der Energieeffizienz und der Optimierung

der LCC liegt ein wesentlicher Schlüssel zur zukünftigen

Verringerung der CO2 Emissionen

Verringerung des Bedarfs an installierter Kraftwerksleistung

Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der Industrie

Voraussetzung für die Optimierung ist das Wissen über

die aktuelle Situation des (effizienten) Energieverbrauchs,

denn Wissen schafft Bewusstsein. Und nur das, was messbar

ist, kann auch optimiert werden. Transparenz in den

Energieverbräuchen ist künftig ein absolutes Muss in allen

Produktionsanlagen.

Wir benötigen aber für einen größeren Schritt in Richtung

LCC Optimierung auch einen Wandel im Denken

und Handeln, weg von der Blaupausenmentalität hin zu

stärkerem Bewusstsein, dass

Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit kein

Widerspruch sind

Autor

Dr.-Ing. Eckhard Roos

(geb. 1958) ist Leiter des

Industry Segment Management

Process Automation

der Festo AG&Co KG in

Esslingen. Er studierte

Elektrische Energietechnik

an der TH Darmstadt und

promovierte auch auf diesem

Gebiet. Nach mehrjähriger Tätigkeit im Corporate

Engineering der Hoechst AG verantwortete

er die Business Unit Chemicals, Oil&Gas der

ABB AG in Deutschland, bevor er 2006 zu Festo

wechselte.

Festo AG&Co KG,

Rechbergstraße 19, D-73770 Denkendorf,

Tel. +49 (0) 711 34 77 60 04, E-Mail: ecrs@de.festo. com

atp edition

7-8 / 2011

37


Testen verteilter

Automatisierungssysteme

Objektstruktur beschreiben um Testzuverlässigkeit zu erhöhen

Bei vernetzten wertdiskreten Echtzeitsystemen helfen automatisierte Testverfahren, komponentenübergreifende

Fehler während der Systemintegration und im laufenden Betrieb

zu entdecken. Die Testfälle werden mit zeitbehafteten Ursache-Wirkungs-Graphen beschrieben.

Mit grafischen Testfällen und Messungen des Busverkehrs wird der Informationsfluss

im verteilten System verfolgt und auf Inhalt und Zeitbedingungen überprüft.

Somit sind die Knotengruppen oder auch Knoten lokalisierbar, die am Fehlverhalten

beteiligt sind. Bei der erweiterten Informationsflussverfolgung wird zusätzlich die Systemstruktur

des Testobjektes, bestehend aus Knoten und Verbindungen, verwendet. Mit

symbolischen Testplandaten und der Filterung der Rohdaten wird der White-Box Test auf

einem hohen Abstraktionsniveau durchgeführt. Eine Komponentenbibliothek dient hierbei

zur Zeitspezifikation der Netzknoten und der Verbindungen. Mit der Integration der

Systemstruktur-Information in die Testplanung werden die Nachrichten für die Testfälle

interaktiv generiert. Somit wird, wie im Beitrag dargestellt, die Testplanerstellung erleichtert

und die Testzuverlässigkeit erhöht.

SCHLAGWÖRTER Testobjekt Systemstruktur / Informationsflussverfolgung /

White-box Systemtest / Konfigurationsabhängige Protokollanalyse /

Nachrichtengenerierung

System structure-based testing for distributed automation systems

to increase testing reliability

Automated testing procedures help to locate distributed errors in networked real-time

systems during system integration and operation. The test cases are described with timedependent

cause-and-effect graphs. The information flow in the distributed system is

tracked for content and time conditions by means of graphical test cases and acquisition

of bus traffic. Thus, defect node groups or nodes can be detected. System structure of the

test object, consisting of nodes and connections, is used for extended information flow

tracking. Symbolic test planning data and the filtering of the raw data supports white-box

system testing at high abstraction level. A component library serves for time specifications

of the network nodes and connections. The messages for the test cases are generated interactively

using system structure information of the test object. Thus test plan generation

is facilitated and testing reliability is increased.

KEYWORDS Testobject systemstructure / information flow tracking /

white-box system testing / configuration dependent protocol analysis /

message generation

38

atp edition

7-8 / 2011

Eugen Noak, Silvije JovalekiC, Hochschule Albstadt-Sigmaringen,

Bernd Rist, Honeywell Security Group

Die industrielle System- und Softwareentwicklung

ist durch immer komplexere Anwendungssysteme

gekennzeichnet. Die fehlerfreie

Auslieferung und eine qualifizierte,

kostengünstige Wartung sind für die Qualität

solcher Produkte entscheidend. Durch formale Methoden

alleine können Fehler der Kommunikation und

des Zeitverhaltens nicht lokalisiert werden. Zur Sicherstellung

der Qualität ist das Testen sehr wichtig.

Manuelles Testen ist sehr zeitund kostenintensiv, sodass

eine weitgehende Automatisierung der Testvorgänge

notwendig ist. In der Kommunikationstechnik

werden sehr leistungsfähige Testsprachen und Werkzeuge

eingesetzt. In der Fahrzeugtechnik wird der

Hardware-In-the-Loop-Test praktiziert. Bei verteilten

Automatisierungssystemen und bei mechatronischen

Systemen wurden grafische Methoden wie Sequenzdiagramme,

Zustandsdiagramme oder Ursache-Wirkungs-Graphen

zur Formulierung der Testfälle vorgeschlagen.

Eine Ursache-Wirkungs-Analyse ermöglicht

die Verfolgung des Informationsflusses im betrachteten

System [1][2][3][4][5].

Zur Unterstützung der White-Box-Systemtests wurde

zusätzlich eine strukturelle Beschreibung des Testobjektes

eingeführt. Dadurch lassen sich die erfassten

Informationen auf einer höheren Abstraktionsebene

interpretieren. Diese erweiterte Informationsflussverfolgung

ermöglicht neue Auswertungen, die bei der

Fehlersuche nützlich sind. Dazu gehören die konfigurationsabhängige

Protokollanalyse, die Ereignisliste

und das Impulsdiagramm [6][7][8].

Im Beitrag werden wir die Beschreibungsmöglichkeiten

der Zeiteigenschaften der Testobjekte und die

Auswertungen während der Testplanung behandeln.

Eine häufige Fehlerquelle in der Testplanung ist die

Spezifikation der Nachrichtenmasken. Die Struktur

der Nachrichten ist in den Filtern der Protokollanalyse

beschrieben. Zur Reduktion der Planungsfehler

wurde deshalb eine halbautomatische Nachrichtengenerierung

aus den Filterspezifikationen vorgeschlagen

und erprobt.

1. Testplanung mit zeitbehafteten

Ursache-Wirkungs-Graphen

Die Testfälle werden mit dem zeitbehafteten Ursache-

Wirkung Graphen beschrieben. Die Kommunikationskanäle,

Zeitbedingungen und die Ablaufstruktur ermöglichen

die Beschreibung von diskreten verteilten

Systemen. Die Elemente der grafischen Beschreibungssprache

sind Testprojekte, Testfälle, Testoperationen

und Testübergänge [5].

Im BILD 1 wird die Testplansprache an einem Beispiel

aus der Gebäudesicherungstechnik erläutert. Das

Testobjekt besteht aus einem Bewegungsmelder, einem

Glasbruchmelder, einem Ausgangsmodul, einer Sirene

und einer Lichtanzeige, die über den Feldbus, den internen

Bus, das Sicherheitsnetzwerk und den Backbone

mit der Einbruchmeldezentrale kommunizieren.

Der Nachrichtenverkehr wird mit drei Messwerkzeugen

erfasst.

Die Starttestoperation „Bewegungsmelder“ wartet auf

die Nachricht „Bewegung“ vom Kanal „Feldbus“ und die

empfangenden Testoperationen „Einbruch“ und „Lichtanzeige“

warten jeweils auf die Nachrichten „Einbruch“

und „Licht-ein“ von den Kommunikationskanälen

„Backbone“ und „Sicherheitsnetzwerk“. Für den erfolgreichen

Testfall (PASS) soll die Nachricht „Licht-ein“

zum Zeitpunkt t < T 1 + T 2 nach dem Eintreffen der Nachricht

„Bewegung“ erfasst werden. Wird dieser Zeitpunkt

überschritten so ist der Testfall nicht erfolgreich (FAIL).

Bei der Betriebsart „Aktiver Modus“ wird das Testobjekt

über die Kommunikationskanäle mit definierten

Nachrichten stimuliert. Diese Betriebsart ist für die Regressionstests

während der Entwicklung und Integration

geeignet. Beim „Beobachtermodus“ werden die Testfälle

mit zuvor definierten Nachrichten in der Startoperation

ausgelöst. Diese Betriebsart ist besonders für die Fehlerdiagnose

während des Systemeinsatzes zu empfehlen.

Mittels zeitbehafteter Ursache-Wirkungs-Graphen können

die Knoten lokalisiert werden, die an einem Fehlverhalten

beteiligt sind. Dieses Verfahren bezeichnen

wir als Informationsflussverfolgung.

atp edition

7-8 / 2011

39


2. Beschreibung der Testobjekte

Die Informationsflussverfolgung benutzt für die Testauswertungen

die Systemstruktur-Informationen des Testobjektes,

die aus der Konfiguration der Anlage gewonnen

werden. Die Konfigurationen liegen oft in einem proprietären

Format vor, aus diesem Grund wurde eine einfache

neutrale Beschreibungssprache entwickelt. Diese besteht

aus Modulen und Verbindungen [9][10].

2.1 Beschreibungssprache

Die Knoten werden als Module mit dem Namen, der Adresse

und dem Teilnehmertyp gekennzeichnet. Die Adresse

und der Teilnehmertyp dienen der Identifizierung

des Moduls im Netzwerk und der Auswahl des Subfilters

bei der Protokollanalyse. Jedes Modul kann mit weiteren

Modulen und Verbindungen beschrieben werden.

Die Verbindungen sind mit dem Namen und der Protokollidentifikation

gekennzeichnet. Das Protokoll der

Verbindung dient zur Auswahl des Filterprogramms zur

Protokollanalyse. Zusätzlich kann eine Verbindung die

Beschreibung des angeschlossenen Messwerkzeuges enthalten.

Eine Verbindung enthält die Module, die an ihr

angeschlossen sind (siehe Bild 2).

Die Struktur des Testobjektes wird automatisch aus einer

"proprietären Computer-aided engineering" (CAE)

Beschreibung generiert. Um die Verständlichkeit der Konfiguration

zu erhöhen, können automatisch vergebene

Namen angepasst werden. Das BILD 2 zeigt die Beschreibung

des im BILD 1 dargestellten Ausschnitts des Einbruchmeldesystems.

Die Systemstruktur wird hierarchisch

aufgebaut mit der Verbindung „Backbone“ als

Basis. Das abstrakte Modul „Einbruchmeldesystem“ stellt

das gesamte System dar. Das Feldkoppelmodul ist an dem

internen Bus, am Feldbus sind der Bewegungsmelder, der

Glasbruchmelder und das Ausgangsmodul angeschlossen.

Links im BILD 3 steht die Systemstruktur-Beschreibung

in Form eines Hierarchiebaums. Rechts im Bild werden

die Attribute des Moduls oder der Verbindung angezeigt.

2.2 Komponentenbibliothek

Gebäudesicherheitsanlagen sind durch eine große Anzahl

und Vielfalt von Komponenten gekennzeichnet. So

kann eine Anlage mehrere hundert gleichartige Bewe-

BILD 1:

Exemplarische

Erläuterung der

Testplansprache

Messw erkzeug

Feldbuskoppelmodul

Interner Bus

27

Backbone

07

Netzwerkinterface

Sicherheitsnetzwerk

01

Bewegungsmelder

Messwerkzeug

Eibruchmeldezentrale

Feldbus

01 02

Lichtanzeige

02

Aus gangsmodul

Aktor

Sens oren

03

Glas bruchssensor

Aktoren

Tes tobjekt

Feldbus

Backbone

Testfall »Bew egungsalarm«

S icherheitsnetzwerk

Bewegungsmelder

T1 < 200 ms

Einbruch

T2 < 300 ms

Lichtanzeige

Kanal: Feldbus

Nachricht: Bewegung

Testübergang

(Zeitbedingung)

Kanal: Backbone

Nachricht: Einbruch

Kanal: S icherheits netz..

Nachricht: Licht- ein

Testoperation

BILD 1: Exemplarische Erläuterung der Testplansprache

BILD 2:

Ausschnittsweise

Beschreibung

eines Testobjektes

…

40

atp edition

7-8 / 2011

gungsmelder enthalten. Jeden Bewegungsmelder der

Anlage ausführlich zu beschreiben, würde zu einer großen

und unübersichtlichen Konfiguration führen. Außerdem

würde diese dann sehr viele redundante Informationen

enthalten. Um diese Redundanzen zu vermeiden,

wurden allgemeine Eigenschaften eines Moduls

oder einer Verbindung in eine Bibliothek ausgelagert. Die

Bibliothek wird der Übersichtlichkeit halber in mehrere

Gruppen unterteilt (siehe BILD 4).

Die Bibliothek besteht aus den Gruppen „sensors“ und

„connections“. Für die Module vom Typ „Bewegungsmelder_Typ1“

werden Verarbeitungszeiten im Intervall

100 ms bis 300 ms angegeben. Für die Verbindung „Honeywell

Bus 2“ werden die Übertragungsrate, der Protokolltyp

und der Verweis auf das Filterprogramm zur

Protokollanalyse der Nachrichten von dieser Verbindung

spezifiziert. Die Verarbeitungs- und Übertragungszeiten

werden bei den Plausibilitätsprüfungen während der

Testplanung verwendet.

Jede Komponente der Konfiguration bekommt einen

Verweis auf den Eintrag in der Bibliothek, wie zum Beispiel

der Typ des Bewegungsmelders. Das zusätzliche

Attribut „ref“ gibt den Pfad zu den Informationen in der

Bibliothek an. In dem Beispiel handelt es sich um den

Verweis auf die Zusatzinformation zum Bewegungsmelder,

siehe BILD 2.

3. Protokollanalyse mittels Systemstruktur-

Information

3.1 Beschreibung der Nachrichten

Eine manuelle Analyse der erfassten Rohdaten ist

schwierig und zeitaufwendig. Die Struktur der Nachrichten

ist vom Protokoll und den Teilnehmern abhängig.

Mit der Protokollanalyse werden die Rohdaten automatisch

in eine lesbare Form transformiert. Die Transformation

wird mit einer allgemeinen Protokollspezifikationssprache

basierend auf der Metasprache XML beschrieben.

Die Sprache enthält Elemente für Textdarstellung,

bedingte Verarbeitung, komplexe

Fallunterscheidung, Verweise, Schleifen und längenabhängige

Verarbeitungen (siehe Bild 5).

Für jedes Protokoll und jeden Teilnehmer wird ein

Filter in dieser Sprache erstellt, mit dem die Nachrichten

zerlegt werden. Das Subfilter dient der Interpretation der

teilnehmerspezifischen Nutzdaten.

BILD 3:

Konfiguration eines

verteilten Systems

Verbindung

Module

…

…

BILD 4:

Auszug aus der

Komponentenbibliothek

atp edition

7-8 / 2011

41


3.2 Analyse der Nachrichten

Änderungen an der Systemstruktur der Anlage, zum

Beispiel durch Hinzufügen eines neuen Teilnehmers,

erfordern Änderungen am Filter, da dieses an die Konfiguration

der Anlage gebunden ist. Die Lösung für

dieses Problem ist eine konfigurationsabhängige Protokollanalyse.

Diese greift auf die Systemstruktur-Beschreibung

der Anlage zu und schafft eine dynamische

Bindung zwischen den Filtern und der Systemstruktur-Beschreibung.

Die empfangenen Nachrichten enthalten Adressen der

kommunizierenden Teilnehmer. Mit Hilfe dieser Adressen

und des Kommunikationskanals wird der Teilnehmer

durch die Systemstruktur-Beschreibung eindeutig

identifiziert. Der Teilnehmertyp dient der Identifikation

des Subfilters [9][10].

BILD 6 zeigt das Ergebnis der Interpretation einer

Nachricht. Als erstes wird der Nachrichtenkopf interpretiert.

Dieser enthält die Adresse des Empfängers, die

mit dem Element „mask“ ermittelt wird. Das Adressabhängigkeitsfilter

hat die Aufgabe, den Teilnehmertyp

aus der Systemstruktur-Beschreibung zu ermitteln und

das zugehörige Subfilter aufzurufen. Die Nutzdaten bestehen

aus der Länge und dem Zustand der Ausgänge

des Teilnehmers. Zum Schluss wird die Checksumme

der Nachricht ausgegeben.

4. Nachrichtengenerierung bei der Testplanung

Nach der Integration der Systemstruktur-Informationen

in die Testauswertung wurde deren Verwendung auch

bei der Testplanung in Betracht gezogen. Eine der Fehlerquellen

bei der Testplanung ist die Spezifikation der

Nachricht in der Testoperation. Ist die angegebene

Nachricht nicht richtig, dann ist auch der Testfall

falsch. Um die richtige Nachricht zu spezifizieren, muss

sich der Tester mit dem Protokoll und der Spezifikation

des Empfängers beziehungsweise des Senders auseinandersetzen.

Zur Unterstützung des Testers bei der Testplanung

wurde ein Nachrichten-Generator konzipiert.

Er basiert auf den bereits für die Protokollanalyse erstellten

Filtern. Die Filter enthalten die Protokollbeschreibung

und auch die Spezifikation der Teilnehmer.

Über den Kommunikationskanal wird das Protokoll

ermittelt. Danach werden alle an einer Verbindung angeschlossenen

Teilnehmer zur Auswahl angeboten.

BILD 5:

Filter und Subfilter

für den Teilnehmer

„Ausgangsmodul“

...

BILD 6:

Protokollanalyse

der Nachrichten

42

atp edition

7-8 / 2011

Nach der Auswahl des Empfängers wird das Subfilter

identifiziert. Somit sind die zugehörigen Filter und Subfilter

bekannt. Aus den Filtern wird eine Liste erzeugt,

in der die Struktur der Nachricht beschrieben ist. Die

bekannten Informationen, wie zum Beispiel die Adresse,

werden in die Nachricht eingetragen. Der Benutzer

hat die Möglichkeit, die Nutzdaten aus einer Auswahlliste

festzulegen. Dadurch können Fehleingaben vermieden

werden. Sind im Filter keine Werte spezifiziert,

wird der Benutzer aufgefordert den Wert einzutragen.

BILD 7 zeigt die Eingabemaske für eine Nachricht eines

Ausgangsmoduls. Der Nachrichten-Generator erzeugt

eine Maske, in der der Benutzer den Zustand der Ausgänge

festlegt.

5. Plausibilitätsprüfung der Zeiten

Eine weitere Fehlerquelle während der Testplanung ist

die Vorgabe der Zeitbedingung bei den Testübergängen.

Trägt der Benutzer das falsche Zeitintervall ein, führt dies

zwangsläufig zu einem fehlerhaften Testfall oder einem

sinnlosen Test. Um die Zeitbedingung auf Plausibilität

prüfen zu können, wurden die Verarbeitungszeiten T j der

m Geräte in der Bibliothek abgelegt. Die Übertragungszeiten

von L n Verbindungen T j werden aus der Nachrichten-

= L[bit] und der Übertragungsrate f bit

Tlänge [bit/s] mit

fbit

L

der Formel T = berechnet.

f

bit

m+

n

m+

n

MIN

≤∑ MIN , j;

∑ MAX,

j

≤

MAX

j=

1

j=

1

m+

n

m+

n

∑ , ∑ ,

T T T T

TMIN ≤ TMIN j;

TMAX j

≤TMAX

Die Summe der Übertragungszeiten j=

1

j=

1 der Verbindungen

und der Verarbeitungszeiten der Knoten entlang

eines Kommunikationspfades muss der Zeitbedingung

des Testübergangs T MIN


6. Zusammenfassung und Ausblick

Referenzen

Mit Hilfe der beschriebenen Verfahren wird der gesamte

Ablauf des automatisierten Testens von verteilten

Systemen unterstützt. Auf Basis der Systemstruktur-

Beschreibung des zu testenden Objektes können sowohl

die Testplanung als auch die Testauswertung realitätsnah

durchgeführt werden. Mit der konfigurationsabhängigen

Protokollanalyse werden die Messdaten in

einer lesbaren Form präsentiert. Die Plausibilitätsprüfung

eingegebener Zeiten und die Nachrichtengenerierung

für die Testoperationen erhöhen die Testzuverlässigkeit

bei der Testplanung.

Ein weiterer Schwerpunkt unserer Forschung ist die

Entwicklung virtueller Teilnehmer, die sich wie reale verhalten

sollen. Für die Fehleranalyse einer bestimmten,

sich in Betrieb befindenden Anlage muss eine exakte Kopie

der Anlage erstellt werden. Dies ist mit hohen Hardwarekosten

und mit enormem Arbeitsaufwand verbunden.

Mit virtuellen Teilnehmern lässt sich dieser Aufwand

erheblich reduzieren.

Manuskripteingang

12. Mai 2011

Autoren


[1] Bender, K.; Pöschl, M.; Danzer, B.; Kausler, B.; Spiegelberger,

B.; Ivanova, N.: TeCom Testfallcompiler für den Funktionstest

eingebetteter Systeme, Forschungsbericht Nr. 24/2006;

Deutsche Forschungsgesellschaft für die Anwendung der

Mikroelektronik e.V. (DFAM)

[2] Bender, K. (Hrsg): Embedded Systems – qualitäts orientierte

Entwicklung, Springer, Berlin Heidelberg New York, 2005

[3] Methods for Testing and Specification (MTS);

The Testing and Test Control Notation version 3; Part 1:

TTCN-3 Core Language, ETSI ES 201 873-1 V2.2.1 (2003-02),

ETSI Standard

[4] DaimlerChrysler: Beschreibung der Testsprache

für HIL-Testsysteme, Version 3.1, 11.05.2004,

firmeninterne Veröffentlichung

[5] Rist, B., Poganatz, D. und Jovalekic, S.: Testautomatisierung

verteilter echtzeitfähiger Systeme basierend auf einer

graphischen Testplanbeschreibung, in Haasis, Heinzl, Klumpp

(Hrsg.), Aktuelle Trends in der Softwareforschung, doIT

Software-Forschungstag 2006, S 241-255, dpunkt.verlag 2006

[6] Drath, R.; Fedai, M.: CAEX – ein neutrales Datenaustauschformat

für Anlagendaten Teil 1-2;

atp 46 (2004) Heft 2; S. 52-56; Heft 3; S. 20-27

[7] Dietrich, C.; Schmidt, D; Simon, R.; Thron, M;

Wollschlaeger, M.: XML für Wartung und Engineering

Busgekoppelter Komponenten, DFAM Forschungs bericht Nr.

20, 2003

[8] Noak, E.; Jovalekic, S.; Grochowski, H.: Protokoll analyse und

Informationsflussverfolgung zur Fehlerdiagnose in verteilten

Echtzeitsystemen, Informatik aktuell, W. A. Halang, P.

Holleczek (Hrsg.), Echtzeit 2009, Fachtagung des GI/GMA-

Fachaus schusses Echtzeitsysteme, Boppard, 19-20.11.2009,

S. 129-138

[9] Noak, E.: CAE unabhängige Systemstruktur

Beschreibung zur Testausführung wertdiskreter verteilter

Echtzeitsysteme, Diplomarbeit WS 2008/2009, Hochschule

Albstadt-Sigmaringen

[10] Jovalekic, S.; Rist. B.: Test Automation of Distributed Embedded

Systems Based on Test Object Structure Information, 25th

Convention of Electrical and Electronics Engineers in Israel,

Anthony J. Weiss (Hrsg.), IEEE 2008, S. 343-347

[11] Jovalekic, S.; Nguyen, T.: Specification and Verification of Time

Properties in Distributed Automation Systems during Test

Planning Phase, 3rd IEEE International Workshop on Software

Test Automation, Munich, Germany, July 18, angenommener

Beitrag.

Hochschule Albstadt-Sigmaringen,

Jakobstraße 6, D-72458 Albstadt,

Tel. +49 (0) 7571 732 95 40,

E-Mail: eugen.noak@gmx.de

Hochschule Albstadt-Sigmaringen,

Jakobstraße 6, D-72458 Albstadt,

Tel. +49 (0) 7571 732 91 48,

E-Mail: jovalekic@hs-albsig.de

Dipl.-Ing. (FH) Eugen Noak

(geb. 1982) ist Mitarbeiter im

Institut für Echtzeitsysteme

und Softwaretechnik der

Hochschule Albstadt-Sigmaringen.

Seine Arbeitsschwerpunkte

sind Test und Diagnose

in verteilten Systemen.

Prof. Dr.-Ing. Silvije

Jovalekic (geb. 1948) vertritt

die Fachgebiete Softwaretechnik

und Echtzeitsysteme in

der Fakultät Engineering der

Hochschule Albstadt-Sigmaringen.

Hauptarbeitsfelder:

Test und Diagnose verteilter

Systeme, Vernetzung in

Fahrzeugen.

Dipl.-Ing.(FH) Bernd Rist

(geb. 1969) leitet die Abteilung

R&D / Software bei Honeywell

Security Group in Albstadt.

Hauptarbeitsfelder: Protokolle

und Software zur Vernetzung

von Komponenten in der

Gebäudesicherungstechnik.

Honeywell Security Group,

Johannes-Mauthe-Str. 14, D-72458 Albstadt,

Tel. +49 (0) 7431 801 13 45,

E-Mail: bernd.rist@honeywell.com

44

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7-8 / 2011

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✘ ✘


Modellgestützte

Modernisierungsplanung

Ist-Zustand mit CAEX abbilden

Mit dem wachsenden Markt für die Modernisierung automatisierter industrieller Produktionsanlagen

gewinnen die Abwicklung von Modernisierungsprojekten und die Optimierung

der Abläufe im Anlagen-Reengineering zunehmend an Bedeutung. Aufbauend auf

einer funktionalen Anlagenbeschreibung wird in diesem Beitrag gezeigt, wie sich der Ist-

Zustand einer zu modernisierenden Anlage mit Hilfe von CAEX formalisiert abbilden lässt.

Gleichzeitig wird beschrieben, welche Möglichkeiten sich daraus für eine frühzeitige Softwareunterstützung

in der Angebotsphase von Modernisierungsprojekten ergeben.

SCHLAGWÖRTER Modernisierungsplanung / funktionale Anlagenbeschreibung /

Modellierung / CAEX

Model-driven plant modernization

As the market for the modernization of automated industrial production plants is growing,

the management of modernization projects and thus the optimization of plant reengineering

processes have become increasingly important. Based on a functional description of

a plant, this article shows how CAEX can be used to produce a formalized image of the

actual state of a plant that has to be modernized and the resulting possibilities for an

early software support during the tendering phase of modernization projects.

KEYWORDS Modernization / Functional Plant Description / Modeling / CAEX

46

atp edition

7-8 / 2011

Martin Strube, Alexander Fay, Helmut-Schmidt-Universität, Hamburg

Sébastien Truchat, Helmut Figalist, Siemens AG, Erlangen

Der Zeit- und Kostendruck im internationalen

Wettbewerb erfordert vermehrt die Verkürzung

der Abwicklungszeiten und Reduzierung der

Projektkosten im Anlagenbau. Dadurch gewinnt

eine effiziente und durchgängige Anlagenplanung

zunehmend an Bedeutung [1]. Insbesondere

der Entwurfprozess komplexer Automatisierungssysteme

bietet erhebliches Optimierungspotenzial, da dieser

durch eine Vielzahl von Abhängigkeiten zu den Engineering-Ergebnissen

und damit auch Planungsdaten

verschiedener am Projekt beteiligter Gewerke geprägt ist.

Dabei sind „modellbasierte Ansätze ein wesentlicher

Hebel zur Integration und Optimierung der Engineering-

Prozesse im industriellen Anlagenbau.“ [2]

Die Ergebnisse einer quantitativen Literaturstudie haben

gezeigt, dass ein Großteil der Forschungsaktivitäten in

diesem Kontext auf die frühen Phasen im Anlagenlebenszyklus

fokussiert – im Gegensatz dazu findet zum Beispiel

die Anlagenmodernisierung kaum Beachtung [3]. Diese

Entwicklung steht in starkem Kontrast zur rückläufigen

Entwicklung des Marktes für den Neubau automatisierter

industrieller Produktionsanlagen in Nordamerika und

Mitteleuropa und dem wachsenden Markt für die Modernisierung

bestehender Anlagen in diesen Regionen [4]. Um

der zunehmenden Bedeutung von Modernisierungsprojekten

automatisierter industrieller Produktionsanlagen

gerecht zu werden, gilt es, Methoden, Modelle und Werkzeuge

zu entwickeln, die den speziellen Herausforderungen

dieser Modernisierungsprojekte gewachsen sind und

eine durchgängige Modellunterstützung ermöglichen.

1. Besonderheiten von

Modernisierungsprojekten

Modernisierungsprojekte für automatisierte industrielle

Produktionsanlagen unterscheiden sich in zwei wesentlichen

Aspekten von den Greenfield-Projekten. Zum einen

müssen die Planungsingenieure bereits in der Angebotsphase

eines Modernisierungsprojektes prognostizieren,

welche Auswirkungen die einzelnen Veränderungen an

der bestehenden Automatisierungslösung auf die Gesamtfunktionalität

der Anlage haben – was eine Aufnahme

des Ist-Zustandes der zu modernisierenden Anlage voraussetzt.

Zum anderen werden die Planungsingenieure

bei der Aufnahme des Ist-Zustandes der zu modernisierenden

Anlage mit einer Vielzahl heterogener, über Jahre

hinweg gewachsener Planungsdokumente konfrontiert.

1.1 Heutige Vorgehensweise

Die Herangehensweise ist dadurch gekennzeichnet, dass

erfahrene Planungsingenieure eine Vielzahl heterogener

Planungsdokumente auswerten, um daraus eine strukturierte

Anlagenübersicht zu erstellen. Die Ergebnisse werden

in der Regel mit Hilfe von Office-Werkzeugen, wie

zum Beispiel Microsoft Excel, Microsoft Visio und ähnlichem

erfasst. Auf dieser Grundlage wird ein Angebot

für die Realisierung des Modernisierungsvorhabens erstellt.

Werden bei dieser Aufwandsabschätzung funktionale

Abhängigkeiten übersehen, können die daraus resultierenden

Folgekosten eines einzelnen Projektes die Gewinne

mehrerer erfolgreicher Modernisierungsprojekte

egalisieren. Je komplexer das zu modernisierende Automatisierungssystem

ist, desto wahrscheinlicher ist das

Auftreten von Fehlern bei dieser Vorgehensweise.

Wenn ein Angebot angenommen wird, werden die Erkenntnisse

über den Ist-Zustand der Anlage und über die

angestrebte Automatisierungslösung manuell in die für

das Engineering von Neuanlangen-Projekten ausgelegte

Werkzeuglandschaft übertragen.

2. Durchgängige Modellunterstützung

Sowohl Greenfield-Projekte als auch Anlagenmodernisierungsprojekte

lassen sich in die in Bild 1 dargestellten

Projektphasen strukturieren, wobei sich beide Projektarten

in der Akquisitionsphase wesentlich unterscheiden.

Für die Phasen Planung, Realisierung und Inbetriebnahme

gibt es meist klar definierte Werkzeuge, Model-

atp edition

7-8 / 2011

47


BILD 1: Projektbezogene

Phasen [5]

BILD 2: Modell

der funktionalen

Anlagenbeschreibung

[8]

le und Sichten, die in einem unternehmensspezifischen

Vorgehensmodell strukturiert sind. Im Gegensatz dazu

ist das Vorgehen in der Akquisitions- beziehungsweise

Angebotsphase von Modernisierungsprojekten oft wenig

strukturiert.

Die Angebotsleiter sammeln und strukturieren in der

Angebotsphase Informationen, um das Angebot daraus

abzuleiten. Die dabei entstandene Dokumentation ist

sozusagen das erste Modell der Anlage. Es wird im Folgenden

Anlagengrobmodell genannt. Wird ein Angebot

angenommen, beginnen die Ingenieure der Planungsphase

ihrerseits damit, die für das Modernisieren der Automatisierungslösung

benötigten Informationen zu sammeln

und strukturieren, um sie in den verfügbaren CAE-

Werkzeugen abzubilden. Auch dabei entsteht ein Modell

der Anlage, welches im Folgenden als Engineering-Modell

bezeichnet wird.

Zwischen dem Anlagengrobmodell und dem Engineering-Modell

besteht naturgemäß eine große inhaltliche

Überlappung. Allerdings werden die Informationen

im Engineering-Modell anders strukturiert und

dargestellt, das heißt die Informationen aus dem Anlagengrobmodell

können nicht 1:1 übernommen werden.

Die fehlende Möglichkeit, Engineering-Daten

werkzeugneutral, Workflow-begleitend und gewerkeübergreifend

auszutauschen, führt dazu, dass Engineering-Daten

mehrfach manuell konvertiert, übertragen

und bearbeitet werden, was zu einem Mehraufwand

und Zeit- und Qualitätsverlust führt [6].

Um einerseits die Möglichkeiten für eine frühzeitige

Werkzeugunterstützung in der Angebotsphase zu schaffen

und andererseits den Übergang von der Angebotsphase

in die Engineeringphase zu optimieren, gilt es, ein

Modellierungskonzept für die Anlagengrobmodellierung

in der Angebotsphase zu definieren und ein für den Datenaustausch

mit den CAE-Werkzeugen der Engineeringphase

geeignetes Beschreibungsmittel zu wählen. Ein

modellbasierter Ansatz ermöglicht dabei:

den Anlagen-Ist-Zustand in der Angebotsphase in

Form eines formalisierten Anlagengrobmodells zu

erfassen.

das Risiko in der Angebotsphase mit Hilfe einer

Werkzeug-Unterstützung zu minimieren.

48

atp edition

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die Ergebnisse aus der Angebotsphase semi-automatisch

in die Werkzeuge der Engineering-Phase zu

übertragen.

3. Funktionale Anlagenbeschreibung

Da der technologische Prozess durch das Zusammenwirken

von technologischen Ressourcen, Automatisierungsgeräten

und Steuerungssoftware realisiert wird, erfordert

das Re-Engineering komplexer Automatisierungssysteme

eine ganzheitliche Betrachtung der Anlage. Anhand einer

gewerkeübergreifend strukturierten Anlagenarchitektur

können Fehler frühzeitig erkannt und Auswirkungen von

Änderungen auf andere Gewerke sofort nachvollzogen

werden, wodurch sich Folgekosten reduzieren lassen [7].

Das in [8] vorgestellte Konzept der funktionalen Anlagenbeschreibung

beschreibt eine Methodik, die das systematische

Überführen der Informationen aus den heterogenen

Planungsdokumenten in eine funktionale Anlagenbeschreibung

ermöglicht. Weiterhin definiert es ein geeignetes

Beschreibungsmodell für die Modellierung der

funktionalen Zusammenhänge zwischen Prozess, technologischen

Ressourcen, Automatisierungshardware und

Steuerungssoftware. Dieses Beschreibungsmodell entspricht

dem in Abschnitt 2 geforderten Modellierungskonzept

und bildet einen Grundbaustein für das Konzept

zur durchgängigen Modellunterstützung bei der Modernisierung

komplexer Automatisierungssysteme.

Das Beschreibungsmodell der funktionalen Anlagenbeschreibung

sieht eine vierstufige Grobmodellierung der

zu modernisierenden Anlage vor. Die erste Stufe beschreibt

den technologischen Prozess in Anlehnung an

die formalisierte Prozessbeschreibung [9], die zweite Stufe

das Anlagenlayout (die technologischen Ressourcen),

die dritte Stufe die Automatisierungsfunktionen (die Steuerungssoftware)

und die vierte Stufe die Automatisierungsgeräte.

Die einzelnen Elemente jeder Stufe werden

mit Hilfe von Attributen und Schnittstellen spezifiziert,

wobei auch den Schnittstellen Attribute zugeordnet werden

können. Die funktionalen Zusammenhänge zwischen

diesen Elementen werden durch die stufenübergreifende

Verknüpfung ihrer Schnittstellen abgebildet. Dabei werden

zwei Arten von Verknüpfungen unterschieden, zum

einen die Kommunikationsbeziehungen und zum anderen

die Wirkbeziehungen. Kommunikationsbeziehungen

bestehen zwischen Schnittstellen, die Informationen miteinander

austauschen, wie zum Beispiel dem digitalen

Ausgang eines Sensors und dem zugehörigen digitalen

Eingang einer Speicherprogrammierbaren Steuerung

(SPS). Eine Wirkbeziehung besteht zum Beispiel zwischen

einer Automatisierungsfunktion und der SPS, auf der diese

Automatisierungsfunktion läuft, da sich die Leistungsfähigkeit

der SPS auf die Performance der Automatisierungsfunktion

auswirkt. Bild 2 verdeutlicht das Modell

der funktionalen Anlagenbeschreibung.

Detaillierte Informationen zur funktionalen Anlagenbeschreibung

als Basis der Modernisierungsplanung

können [8] entnommen werden.

4. CAEX-basierte Aufnahme des

Anlagen-Ist-Zustandes

Bei den heute eingesetzten Office-Werkzeugen zur Aufnahme

des Anlagen-Ist-Zustandes sind die Planungsingenieure

an keine feste Syntax und Semantik gebunden.

Diese Art der Beschreibung des Anlagen-Ist-Zustandes

erschwert nicht nur die Softwareunterstützung in der

Angebotsphase, sondern behindert auch die automatisierte

Weiterverarbeitung der Ergebnisse aus der Angebotsphase

in den darauffolgenden Projektphasen. Diese beiden

Nachteile sollten durch die Wahl eines geeigneten Beschreibungsmittels

für die funktionale Anlagenbeschreibung

beseitigt werden. Des Weiteren führt die wachsende

Vielfalt phasenspezifischer Werkzeuge und die damit verbundene

Zunahme möglicher Schnittstellenkombinationen

zur Notwendigkeit der Standardisierung von Datenformaten

[10]. Daher sollte das Beschreibungsmittel für

die funktionale Anlagenbeschreibung auch diesem Aspekt

gerecht werden. Um optimale Voraussetzungen für

die Softwareunterstützung in der Angebotsphase zu

schaffen, muss das Beschreibungsmittel zusätzlich die

computergestützte Interpretierbarkeit der Objekte und

Strukturen des Anlagenmodells gewährleisten.

Die zuvor geschilderten Anforderungen erfüllt das Beschreibungsmittel

Computer Aided Engineering Exchange

(CAEX), welches sich bereits in verschiedenen

Domänen der Automatisierungstechnik, wie zum Beispiel

der Prozess-, Fertigungs- und Gebäudeautomatisierung

[11], [12] bewährt hat. Detaillierte Informationen zu

CAEX können [13] entnommen werden.

4.1 Abbilden der funktionalen

Anlagenbeschreibung auf CAEX

Jedes Element der funktionalen Anlagenbeschreibung

wird in CAEX durch ein Internal Element repräsentiert.

Diesem Internal Element können sowohl Schnittstellen

und Attribute als auch Rollen-Klassen zugewiesen werden.

Da jedem Internal Element wiederum Internal Elements

als Kind-Elemente zugeordnet werden können,

besteht die Möglichkeit der Dekomposition. Dadurch

kann die Granulierung des Anlagengrobmodells im fortschreitenden

Projektverlauf beliebig verfeinert werden.

Bild 3 veranschaulicht die Möglichkeit der Dekomposition

am Beispiel des CAEX-Modells eines Walzgerüstes,

welches mit Hilfe der Software AutomationML Editor

[14] erstellt wurde.

Die Wirk- und Kommunikationsbeziehungen zwischen

den Elementen der funktionalen Anlagenbeschreibung

bildet CAEX in Form von Internal Links zwischen den

Interfaces der zugehörigen Internal Elements ab. Da

CAEX das Konzept der Bibliotheken unterstützt, besteht

bei der Aufnahme des Anlagen-Ist-Zustandes die Möglichkeit,

Werkzeuge zu nutzen, die eine effiziente Modellierung

per drag and drop unterstützen. Bild 4 zeigt

exemplarisch für die Modellierung von CAEX-Bibliotheken

eine Schnittstellenbibliothek, die mit Hilfe des Au-

atp edition

7-8 / 2011

49


tomationML Editors erstellt wurde. In der unteren rechten

Ecke von Bild 4 sind die Attribute dargestellt, die der

Schnittstellen-Klasse OPC-Tag zugeordnet wurden.

5. Softwareunterstützung in

der Angebotsphase

BILD 3: CAEX-Modell eines Walzgerüstes

BILD 4: CAEX-Schnittstellenbibliothek

Erfolgt die Aufnahme des Anlagen-Ist-Zustandes CAEXbasiert

auf der Grundlage des in Abschnitt 3 vorgestellten

Modellierungskonzeptes, so ergibt sich daraus ein computerinterpretierbares

Anlagengrobmodell, welches zahlreiche

Ansatzpunkte für eine frühzeitige Softwareunterstützung

bietet. Das daraus resultierende Optimierungspotenzial

wurde im Rahmen einer Fallstudie zur Risikominimierung

bei der Modernisierungsplanung für die

Automatisierungslösung von Warmbandwalzwerken untersucht.

Dabei wurden zwei typische Fehlerquellen betrachtet.

Zum einen sollten Inkonsistenzen und Lücken

im aufgenommenen Anlagengrobmodell softwaregestützt

identifiziert werden, um eine fundierte Grundlage für die

Modernisierungsplanung zu schaffen. Zum anderen sollte

das Fehlerpotenzial bei der Aufwandsabschätzung der

notwendigen Soft- und Hardwareanpassungen durch eine

modellgestützte Auswertung der Auswirkungen von Veränderungen

der bestehenden Automatisierungslösung

minimiert werden.

Im ersten Schritt der Fallstudie erfolgte die Grobmodellierung

der Fertigstraße eines Warmbandwalzwerkes

mit Hilfe des zuvor beschriebenen Ansatzes.

Im nächsten Schritt wurde ein Softwareprototyp zur

Analyse dieses CAEX-basierten Anlagenmodells entwickelt.

Als wesentliches Kernelement der softwaretechnischen

Realisierung fand dabei die Language Integrated

Query (LINQ) Architektur Anwendung. Als Bestandteil

des Microsoft .NET Framework ist LINQ eine Abfragesprache

für verschiedene Datenquellen, wie Datenbanken,

XML-Dokumente und Excel-Dateien, die ein effizientes

Handling XML-basierter Datenaustauschformate ermöglicht

[15]. Mit Hilfe dieser Technologie wurden regelbasierte

Abfragen zur Konsistenzprüfung im Anlagengrobmodell

implementiert. Die folgenden zwei Regeln verdeutlichen

diesen Ansatz:

Wenn eine Kommunikationsbeziehung zwischen zwei

Schnittstellen vom Typ Bus Interface besteht,

dann müssen deren Attribute Bus Protokoll identische

Werte besitzen.

Wenn zwischen zwei Automatisierungsfunktionen,

die nicht auf der gleichen SPS laufen, eine Wirkbeziehung

besteht,

dann muss auch zwischen den zugehörigen SPS eine

Kommunikationsbeziehung bestehen.

BILD 5: Softwaregestütztes Aufstellen der

Mengengerüste

Die erste Regel dient der Identifikation einer inkonsistenten

Kommunikationsbeziehung und die zweite Regel der

Identifikation einer logischen Inkonsistenz. Zur Identifikation

von Lücken im Anlagengrobmodell wurden Abfragen

implementiert, die ungenutzte Schnittstellen und

nicht befüllte Schlüsselattribute herausfiltern. Durch die

softwaretechnische Umsetzung dieses Konzeptes konnte

die Grundlage für ein automatisiertes Identifizieren von

50

atp edition

7-8 / 2011

Lücken und Inkonsistenzen im aufgenommenen Anlagen-

Ist-Zustand geschaffen werden.

Basierend auf der gleichen Technologie wurde der Softwareprototyp

im dritten Teil der Fallstudie dahingehend

erweitert, dass eine quantitative Darstellung der Auswirkungen

von Veränderungen an der Automatisierungslösung

im Anlagengrobmodell möglich ist. Die dazu realisierte

Umsetzung basiert auf einem vergleichenden Ansatz,

bei dem der aufgenommene Anlagen-Ist-Zustand mit

einem Anlagenmodell verglichen wird, in dem die zu

modernisierenden Elemente der Automatisierungslösung

entfernt wurden. Dieser Ansatz ermöglicht es, die Auswirkungen

verschiedener Modernisierungsstrategien miteinander

zu vergleichen. Sobald die im Rahmen der Modernisierungsmaßnahme

zu ersetzenden Komponenten

aus dem Anlagengrobmodell entfernt werden, ändert sich

nicht nur die Anzahl der Elemente im Anlagenmodell,

wie Schnittstellen, Sensoren und Steuerschränke, sondern

es werden auch bestehende Wirk- und Kommunikationsbeziehungen

unterbrochen. Durch den Vergleich der

Mengengerüste des ursprünglich aufgenommenen Anlagen-Ist-Zustandes

und des geänderten Anlagenmodells

werden die (quantitativen) Auswirkungen der geplanten

Veränderungen deutlich (siehe Bild 5).

Der in Bild 5 dargestellte Screenshot zeigt die mit Hilfe

des Softwareprototypen generierte Gegenüberstellung

der Mengengerüste zweier verschiedener Anlagenmodelle.

Dabei ist in der linken Hälfte das Mengengerüst des

ursprünglichen Anlagen-Ist-Zustandes abgebildet und

in der rechten Hälfte das des veränderten Anlagenmodells.

Die Gegenüberstellung der Mengengerüste untergliedert

sich in einen Überblick zur Automatisierungshardware

und einen Überblick zur Anzahl der Schnittstellen

und Verknüpfungen im Anlagenmodell. Die im

oberen Bereich platzierte Auflistung der Automatisierungshardware

verdeutlicht in vergleichender Betrachtung,

wie viele automatisierungstechnische Ressourcen

von der Modernisierungsmaßnahme betroffen sind. Bei

vergleichender Betrachtung der in Bild 5 gegenübergestellten

Auflistungen der Automatisierungshardware

fällt auf, dass sich die Anzahl der SPS von sieben auf

sechs und die Anzahl der Sensoren von drei auf zwei

reduziert hat.

Ein Vergleich der im unteren Bereich von Bild 5 dargestellten

Auflistungen zeigt, wie sich diese Änderung

auf die Anzahl der Schnittstellen und Verknüpfungen

im Anlagenmodell auswirkt. Dazu wird die Summe der

Schnittstellen im Anlagenmodell aufgelistet und in die

Referenzen

[1] Siemens AG – Industry Automation: White Paper: Effizienzsteigerung

im Anlagen-Engineering, Karlsruhe, 2010.

Verfügbar unter: http://www.automation.siemens.com/w2/

efiles/pcs7/support/marktstudien/Whitepaper_Anlagenengineering_v5.pdf",

letzter Abruf am 25.02.2011

[2] T. Wagner, U. Löwen: Modellierung: Grundlage für

integriertes Engineering, Tagungsband „Automation 2010“,

Baden-Baden, 2010

[3] M. Amberg, T. Holm, B. Bartosch, T. Tetzner: Benefits of

Mechatronic Modelling assocciated with Plant Lifecyle

Phases: - A Literature Pre-Study, Proceedings of the 12th

International Business Information Management Conference

(IBIMA2009), Kuala Lumpur, Malaysia, 2009

[4] U. Löwen, R. Achatz: Industrieautomation, Buchbeitrag in

„Liggesmeyer, P., Rombach, D.: Software Engineering

eingebetteter Systeme – Grundlagen - Methodik - Anwendungen,

Spektrum Akademischer Verlag, 2005.

[5] Verein Deutscher Ingenieure – Verband der Elektrotechnik,

Elektronik und Informationstechnik: Richtlinie VDI/VDE

3695 Blatt 1: Engineering von Anlagen – Evaluieren und

Optimieren des Engineerings – Grundlagen und Vorgehensweisen,

Beuth Verlag Berlin, 2010

[6] K. Güttel, A. Fay: Beschreibung von fertigungstechnischen

Anlagen mittels CAEX, Automatisierungstechnische Praxis

(atp), Heft 5/2008, Oldenbourg-Industrieverlag



3695 Blatt 3: Engineering von Anlagen – Evaluieren und

Optimieren des Engineerings – Themenfeld Methoden,

Beuth Verlag Berlin, 2010

[8] M. Strube, A. Fay, S. Truchat, H. Figalist: Funktionale

Anlagenbeschreibung als Basis der Modernisierungsplanung,

Tagungsband „Automation 2010“, Baden-Baden, 2010



3682: Formalisierte Prozessbeschreibung, Beuth Verlag

Berlin, 2005

[10] R. Drath: Die Zukunft des Engineering – Herausforderungen

an das Engineering von fertigungs- und verfahrenstechnischen

Anlagen, Tagungsband Karlsruher Leittechnisches

Kolloquium (KLK), Karlsruhe, 2010

[11] M. Ebel, R. Drath, O. Sauer: Automatische Projektierung

eines Produktionsleitsystems der Fertigungstechnik mit

Hilfe des Datenaustauschformates CAEX, Automatisierungstechnische

Praxis (atp) 5/2008

[12] T. Schmidberger, A. Fay, R. Drath: Automatische Erstellung

von Verriegelungssteuerungen auf der Basis von Anlagenstruktur-Informationen,

GMA-Kongress 2005, Baden-

Baden, 2005

[13] DIN EN 62424: Darstellung von Aufgaben der Prozessleittechnik

– Fließbilder und Datenaustausch zwischen

EDV-Werkzeugen zur Fließbilderstellung und CAE-Systemen

(IEC 62424:2008); Deutsche Fassung EN 62424:2009,

Beuth Verlag, Berlin, 2010

[14] The AutomationML association, www.automationml.org,

letzter Abruf am 25.03.2011

[15] M. Barth, A. Fay: Efficient use of data exchange formats in

engineering projects by means of language integrated

queries: Engineers LINQ to XML. Tagungsband "IEEE IECON

2010”, Glendale, Arizona, USA, 2010

atp edition

7-8 / 2011

51


Autoren

Dipl.-Ing. Martin Strube (geb. 1981) ist als Rüstungsoffizier

im Logistikamt der Bundeswehr tätig und

beschäftigt sich seit 2008 im Rahmen seiner berufsbegleitenden

Promotion mit der funktionalen Beschreibung

von Produktionsanlagen.

Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr

Hamburg, Institut für Automatisierungstechnik,

Holstenhofweg 85, D-22043 Hamburg,

Tel. +049 (0) 40 65 41 22 54, E-Mail: martin.strube@hsu-hh.de

Prof. Dr.-Ing. Alexander Fay (geb. 1970) leitet das

Institut für Automatisierungstechnik der Helmut-

Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr

Hamburg.

Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr

Hamburg, Institut für Automatisierungstechnik,

Holstenhofweg 85, D-22043 Hamburg,

Tel. +49 (0) 40 65 41 27 19, E-Mail: alexander.fay@hsu-hh.de.

Dr.-Ing. Sébastien Truchat (geb. 1973) ist Consultant

für Systems Engineering bei der Siemens AG, Corporate

Research and Technologies, Technical Consulting, CT T

DE TC4. Tätigkeitsschwerpunkte: Mitarbeit in und

Projektleitung von Consulting Projekten zur Modellierung

und Automatisierung industrieller Anlagen.

Siemens AG, Corporate Technology,

San-Carlos-Str. 7, D-91058 Erlangen,

Tel. +49 (0) 9131 7316 96,

E-Mail: sebastien.truchat@siemens.com

Dr. rer. nat. Helmut Figalist (geb. 1959) war jahrelang

als Projekteur und Projektleiter in verschiedenen

industriellen Branchen tätig. Sein besonderes Interesse

galt stets der Verbesserung des Engineeringsprozesses.

Neben dem Engineering von Prozessleitsystemen

beschäftigte er sich vor allem mit der Zusammenarbeit

der Gewerke im Anlagenengineering. Weitere Tätigkeitsschwerpunkte

waren die Standardisierung von Automationslösungen

und Plattformen insbesondere auch die

branchenubergreifende Benutzung von Lösungskernen.

Heute ist er als Principal Automation bei Siemens Metals

Technology verantwortlich für die Entwicklung im

Bereich Automation.

Anzahl der Wirk- beziehungsweise Kommunikationsschnittstellen

untergliedert. Die Veränderung der Anzahl

unterbrochener Wirk- und Kommunikationsbeziehungen

wird durch die Differenz inkonsistenter Links

deutlich. Die Auflistung der inkonsistenten Links wird

ergänzt um die Information, wie viele dieser Verknüpfungen

sich in der „Grenzschicht“ des Anlagenmodells

befinden. In der „Grenzschicht“ liegen alle funktionalen

Verknüpfungen, von denen nur ein Verknüpfungspartner

bei der Modernisierungsplanung ersetzt wird.

Diese Information ist für die Planungsingenieure von

besonderer Bedeutung, da sie veranschaulicht, wie viele

der verbleibenden Komponenten direkt von der Modernisierungsmaßnahme

betroffen sind, wodurch sie

ein wesentliches Indiz für den zu erwartenden Integrationsaufwand

darstellt.

Durch die softwaretechnische Gegenüberstellung der

Mengengerüste verschiedener Anlagenmodelle entsteht

für die Planungsingenieure die Möglichkeit, die Auswirkungen

von Veränderungen der bestehenden Automatisierungslösung

zu simulieren und auch unterschiedliche

Modernisierungsszenarien miteinander zu

vergleichen.

Neben der in Bild 5 dargestellten Grobübersicht der

Mengengerüste bietet der Softwareprototyp auch ein Fehlerprotokoll,

dem die detaillierten Analyseergebnisse zu

entnehmen sind und eine Editor-Funktionalität, um erkannte

Inkonsistenzen oder Lücken zu bearbeiten.

Zusammenfassung und Ausblick

Basierend auf einem Konzept für die funktionale Beschreibung

automatisierter industrieller Produktionsanlagen

wurde gezeigt, wie sich der Ist-Zustand einer zu

modernisierenden Anlage mit Hilfe von CAEX modellieren

lässt. Auf dieser Grundlage wurde eine Fallstudie

durchgeführt. Die im Rahmen dieser Fallstudie erzielten

Ergebnisse konnten das Potenzial einer frühzeitigen Modellunterstützung

zur Risikominimierung in der Angebotsphase

von Modernisierungsprojekten für Automatisierungslösungen

verdeutlichen.

Manuskripteingang

00.00.2010


Siemens AG, I IS MT PEP PA,

Schuhstraße 60, D-91052 Erlangen,

Tel. +49 (0) 9131 74 29 12 ,

E-Mail: helmut.figalist@siemens.com.

52

atp edition

7-8 / 2011

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Intelligente Geräte brauchen

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Wartungsinformationen an die Leitwarte gemeldet werden. Was sich

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Ergänzend zu den detaillierten, theoretischen Beschreibung und ihrer

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Anlagenbau, Betreiber, Instandhalter, Planer und Systemintegratoren

auch vertiefende Übungen und praktische Beispiele.

Autoren: P. Wienzek, J. R. Uffelmann

1. Auflage 2010, 310 Seiten, Broschur

Oldenbourg Industrieverlag München

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1. Auflage 2010 – ISBN: 978-3-8356-3115-1

für € 89,90 (zzgl. Versand)

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

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Mensch-Roboter-

Kooperation

Humansicherheit im robotergestützten Assistenzsystem

Die Entwicklung eines Mehrroboter-Assistenzsystems zur Reduzierung arbeitsintensiver

manueller Handhabungsaufgaben von schweren und sperrigen Schweißbaugruppen beschreibt

dieser Beitrag. Im Mittelpunkt stehen die sichere und ergonomische Mensch-Roboter-Kooperation

im gemeinsamen Arbeitsraum und die technischen Möglichkeiten zur

Gewährleistung der Arbeitssicherheit. Die vorgestellten Forschungsarbeiten sind Teil des

Projektes „rorarob“ und werden an einem Demonstrator an der TU Dortmund validiert.

SCHLAGWÖRTER Mensch-Roboter-Kooperation / robotergestütztes Assistenzsystem /

Sicherheitstechnik / Ergonomie

Human-Robot-Interaction –

Human Safety in a robot-based assistance system

The paper discusses the development of a multi-robot assistance system to reduce labourintensive

manual handling of heavy parts in welding processes. It focuses on a safe and

ergonomic human-robot-interaction with overlapping workspaces and discusses technical

means to ensure work safety. The research is part of the project "rorarob" and is supported

by a demonstrator at TU Dortmund University. The paper will be presented at VDI Kongress

Automation 2011 and printed in the proceedings.

KEYWORDS Human-Robot-Interaction / robot-based assistance system /

safety technology / ergonomics

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Dipl.-Ing. Carsten Thomas, Prof. Dr.-Ing. Bernd Kuhlenkötter,

Dipl.-Ing. Felix Busch, Prof. Dr.-Ing. Jochen Deuse, TU Dortmund

Schweißen stellt im Maschinen- und Anlagenbau

aufgrund der geringen Stückzahlen bis hin zur

Einzelteilfertigung einen arbeitsintensiven Produktionsprozess

dar. Die Fertigung und Anpassung

der schweren, nur schlecht handhabbaren

und komplexen Rohr- und Rahmengeometrien erfolgt

dabei häufig manuell sowie unter erheblichen körperlichen

Belastungen für die Mitarbeiter. Neben der Schweißaufgabe

muss der Mitarbeiter zusätzliche Aufgaben, wie

das Handhaben und Ausrichten der Bauteile durchführen.

Bei der Arbeit wird der Schweißer durch Restriktionen

seitens der Bauteilgeometrie und der Arbeitsplatzgestaltung

eingeschränkt. Deshalb sind belastende Arbeitssituationen

wie das Schweißen über Kopf, kniende

oder verdrehte Körperhaltungen häufig unvermeidbar.

Die bei Unternehmen durchgeführten ergonomischen

Analysen an manuellen Schweißarbeitsplätzen haben

bestätigt, dass die körperliche Belastung im Vergleich zu

anderen Tätigkeiten deutlich erhöht ist [4]. Neben der

Belastung für den Mitarbeiter kann das Schweißen in

Zwangslagen auch zu einer geringeren Schweißnahtqualität

führen oder Nachbearbeitungen aufgrund nicht

eingehaltener Toleranzvorgaben erfordern.

Um die ergonomischen Bedingungen derartiger Arbeitssituationen

zu verbessern und den Prozess zu optimieren,

wird im Rahmen des Forschungsprojektes

„rorarob“ ein Roboterassistenzsystems entwickelt, das

in der Lage ist, in einer direkten Mensch-Roboter-Kollaboration

Schweißaufgaben zu erfüllen [1], [2], [3]. Das

robotergestützte Assistenzsystem soll dem Mitarbeiter

die Bauteile in einer ergonomisch günstigen und korrekten

Anordnung bereitstellen, sodass die Schweißnaht

durch das Mehrrobotersystem an der Schweißposition

bewegt wird.

1. Stand der Technik

Die Industrie benötigt neue automatisierte und flexible

Produktionssysteme, die eine direkte Integration der

menschlichen Arbeitskraft ermöglichen. Eine Vielzahl

an Forschungsarbeiten befasst sich mit roboterbasierten

Assistenzsystemen. Beispiele sind LISA [2], Assistor

[3] oder Roboter für Montageaufgaben [4]. Diese Systeme

wurden für geringe Gewichte und Kräfte sowie eine

hohe Mobilität entwickelt. Im Projekt RAAS wurde ein

Roboterarm konstruiert, der für die Positionierung von

Schweißbaugruppen geeignet ist [5]. Der Roboter positioniert

das Blech und der menschliche Bediener führt

im Anschluss die Schweißaufgabe durch. Die DLR entwickelt

einen Leichtbauroboter für eine direkte

Mensch-Roboter-Interaktion mit einer menschähnlichen

Armkinematik [6].

Die wichtigste Voraussetzung für den Einsatz von Industrierobotern

in überlappenden Arbeitsräumen ist,

dass beide Partner in keinem Fall verletzt oder beschädigt

werden können. Die aktuellen Normen DIN EN ISO 10218-

1 [7] und der Normentwurf DIN EN ISO 10218-2 [8] ermöglichen

erstmals solche Hybridsysteme.

2. Optische Arbeitsraumüberwachung

Roboter werden fast ausschließlich in vollautomatisierten

Prozessen eingesetzt. Die schnellen Bewegungen der

Roboter stellen für Menschen ein hohes Gefährdungspotenzial

dar, sodass Mensch und Roboter räumlich getrennt

werden. Durch eine geänderte Normungslage sowie

technische Fortschritte wurden in den letzten Jahren

Weiterentwicklungen zu einer direkten Mensch-Roboter-

Kooperation (MRK) ermöglicht.

Diese Kollaboration lässt sich in unterschiedlichen

Modi ausführen. Entscheidende Kriterien sind die räumliche

Trennung des gemeinsam von Mensch und Roboter

genutzten Arbeitsraumes sowie die zeitliche Trennung

( BILD 2). Nachfolgend werden die MRK-Modi beschrieben

und verschiedenen Prozessschritten des robotergestützten

Schweißassistenzsystems zugeordnet.

Der MRK-Modus 2 ist sicherheitstechnisch ähnlich

einer rein manuellen Fertigung (Modus 1). Im Modus 2

ist ausschließlich der Mitarbeiter aktiv in den Prozess

eingebunden. Das Robotersystem hingegen ist zwar pro-

atp edition

7-8 / 2011

55


grammtechnisch aktiv, wird aber in seiner Stillstandsposition

überwacht. Dieser Modus wird zum Beispiel

in der Prozessvorbereitung oder während des Befüllens

der Bauteilbereitstellung genutzt.

Eine direkte Kollaboration zwischen Mensch und

Roboter stellt der Modus 3 dar. Zeitgleich und ohne

räumliche Trennung arbeiten Mensch und Roboter zusammen.

In diesem Modus darf die kontrollierte Geschwindigkeit

des Roboters maximal 250 mm/s betragen.

Es muss sichergestellt sein, dass auch seitens der

bewegten Bauteile keine Gefahr für den Menschen besteht,

zudem muss der Mitarbeiter vor Scher- und

Quetschstellen geschützt werden. Im Rahmen des robotergestützten

Assistenzsystems wird dieser Modus

während den wertschöpfenden Prozessschritten des

Schweißens verwendet.

Eine weitere Möglichkeit der zeitgleichen Arbeit von

Mensch und Roboter im Arbeitsraum ist der Modus 4.

Im Gegensatz zum Modus 3 arbeiten beide in separierten

Bereichen des von beiden Komponenten erreichbaren,

aber sicherheitstechnisch unterteilten Arbeitsraums.

Mögliche Prozesssituationen sind Arbeitsvorbereitungen

seitens des Schweißers, wie das Reinigen des Brenners

oder das Anlegen seiner Schutzausrüstung, während das

Robotersystem weitere Bauteile mit hohen Geschwindigkeiten

dem Prozess zuführt. Hierbei kann der Arbeitsraum

des Roboters steuerungstechnisch reduziert werden.

Das Trennen der Arbeitsräume kann auch während

des Schweißprozesses erforderlich sein. Insbesondere

bei großen und komplexen Bauteilgeometrien sind beim

Umorientieren hohe Geschwindigkeiten und Verfahrwege

erforderlich, um die statische Schweißposition zu

ermöglichen (vergleiche Abschnitt 4).

Im Modus 5 ist ausschließlich das Robotersystem aktiv.

Würde sich der Mitarbeiter den sich schnell bewegenden

Robotern nähern, wird dies im ersten Schritt

dem Mitarbeiter signalisiert und das System verlangsamt.

Nähert sich der Mitarbeiter dem Roboter noch

weiter, werden alle bewegten Anlagenkomponenten

gestoppt.

BILD 1:

Manuelles Schweißen

von Rohr- und

Rahmenkons truktionen

BILD 2:

Betriebsmodi für

die Mensch-Roboter-

Kooperation (MRK)

56

atp edition

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3. Sicherheitskonzept

Zur Handhabung von Rohr- und Rahmenkonstruktionen

in Schweißanwendungen sind Roboter mit hohen

Traglasten und Reichweiten erforderlich. Große Roboter

weisen hohe bewegte Massen und Geschwindigkeiten

auf und sind so durch die hohe kinetische Energie ein

großes Gefahrenpotenzial für Menschen. Folglich ist

das Assistenzsystem so zu gestalten, dass eine Kollision

zwischen Mensch und Roboter zu jedem Prozessschritt

ausgeschlossen werden kann.

Um den Arbeitsraum in einer von Mensch und Roboter

zeitparallel genutzten Schweißzelle abzusichern und so

eine direkte Mensch-Roboter-Kollaboration zum Schweißen

von Rohr- und Rahmenkonstruktionen zu ermöglichen,

wird mit Partnern der Industrie an der TU Dortmund

ein Konzept zur optischen Überwachung des

Arbeitsraums erprobt. Der Arbeitsraum wird im Projekt

mit dem Safety Eye realisiert, dessen Sicherheits-SPS im

Falle einer Warn- oder Schutzraumverletzung digitale

Signale ausgibt. Diese Signale werden genutzt, um Überwachungsfunktionen

der sicheren Robotersteuerung zu

aktivieren oder einen Einfluss auf das Programm des

Roboters zu nehmen, wie zum Beispiel die Reduktion

der Bewegungsgeschwindigkeit oder das Stoppen des

Assistenzsystems. Die Robotersteuerung kann auch die

Konfiguration des Safety Eyes umschalten.

Im folgenden Absatz werden im Projekt verwendete

Layoutvarianten für eine sichere Mensch-Roboter-Kooperation

dargestellt und anhand der in BILD 2 beschriebenen

Modi 3 und 4 erläutert.

BILD 3 zeigt im linken Teil die Draufsicht auf den

realen Demonstrator. Die Handhabungsroboter bewegen

sich zur Bauteilbereitstellung, um dort die ersten

beiden Bauteile der zu schweißenden Baugruppe aufzunehmen.

Da sich die Roboter in diesem Modus mit

normaler Geschwindigkeit bewegen, muss sichergestellt

sein, dass sich kein Mensch im zulässigen Bewegungsraum

des Roboters aufhält. Nachdem der Mitarbeiter

außerhalb der Raumanordnung seine Position

BILD 3:

Abbildung des

Demonstrators und

Konfiguration des

Safety Eyes einer

räumlich getrennten

Mensch-Roboter-

Kooperation

(Modus 4)

BILD 4:

Abbildung des

Demonstrators und

Konfiguration des

Safety Eyes in einer

direkten Mensch-

Roboter-Kooperation

(Modus 3)

atp edition

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quittiert hat, wird die in BILD 3 rechts dargestellte

Konfiguration des Safety Eyes aktiviert. Dies wird

durch das sichere Sensorsystem Safety Eye (Kameraeinheit

oben mittig in BILD 3 links) sichergestellt, das

sich an den schwarz-weißen Kreisen referenziert. Im

rechten Bild ist aus der identischen Perspektive die

gleiche Momentaufnahme des Prozesses aus Sicht des

Safety Eyes dargestellt. Zusätzlich zur Position der Roboter

sind die Warn- und Schutzräume zu sehen. Der

in der Abbildung unten rechts zu sehende Mitarbeiter

hat die Möglichkeit, prozessvorbereitende Tätigkeiten,

wie das Einstellen der Schweißparameter, Anlegen der

persönlichen Schutzausrüstung oder Reinigen seines

Brenners, durchzuführen, während die Roboter die

Bauteile in die Schweißposition bringen.

Eine direkte Mensch-Roboter-Kooperation, in welcher

der Schweißer und das Roboterassistenzsystem

ohne räumliche Trennung zusammenarbeiten, ist in

Bild 4 dargestellt und vergleichbar mit dem Modus 3.

Die Konfiguration des Safety Eyes zeigt der rechte Teil

der Abbildung, wobei sich der Mitarbeiter innerhalb

einer virtuellen Arbeitsraumtrennung befindet. Diese

Konfiguration ist dann erforderlich, wenn weitere,

nicht in das Assistenzsystem eingewiesene, Mitarbeiter

den Arbeitsbereich betreten könnten. Da sich die

Roboter während der Mensch-Roboter-Kooperation im

Modus 3 nur mit einer geringen Geschwindigkeit bewegen

dürfen, kann die Konfiguration der Warn- und

Schutzräume mit geringerer Breite erfolgen. Im Bereich

vor der Bauteilbereitstellung ist zudem ein

Schutzraum definiert. Dieser ist zum Schutz des Prozesses

vor dem Mitarbeiter, damit dieser nicht selbstständig

Bauteile aus der Bereitstellung nimmt. Dies

würde nicht nur den vorgeplanten Prozess behindern,

sondern stellt auch im Falle eines schweißtechnischen

Verbindens mit der Baugruppe eine Kollisionsgefahr

im Prozess dar.

Das robotergestützte Assistenzsystem ermöglicht dem

Schweißer eine ergonomisch günstige, statische

Schweißposition, sodass sich der Mitarbeiter auf die

Schweißaufgabe konzentrieren kann. Die Bewegung der

Schweißnaht entlang der Fügestelle wird durch das

Robotersystem realisiert. Um mit der DIN EN ISO 10218-

2 konform zu sein, dürfen die Bewegungen der Roboter

nicht schneller als 250 mm/s sein. Diese Geschwindigkeit

ist für die Bewegung der Schweißstelle mehr als

ausreichend, wenn zum Beispiel Rohrabschnitte orbital

miteinander verschweißt werden. Schweißprozesse wie

diese sind konform mit der Richtlinie, da sich die Roboterachsen

nur langsam bewegen oder stillstehen.

Beim Umorientieren der zum Teil großen und komplexen

Baugruppen können jedoch deutlich höhere Geschwindigkeiten

erforderlich sein, wenn zum Beispiel

die Ausrichtung der Roboterflansche nicht fluchtend

ist. Derartige Situationen stellen zwar keine Gefährdung

für den Mitarbeiter dar, wenn der Abstand zwischen

dem Schweißer und den sich bewegenden Teilen

groß genug ist, werden von der Norm jedoch nicht berücksichtigt.

Auf der anderen Seite können auch Prozessschritte

mit einer Robotergeschwindigkeit

< 250 mm/s ein Gefährdungspotenzial bieten, wenn

große Bauteile umorientiert werden. Die Erkennung der

Gefahrenstellen muss bereits während der Offline-Programmierung

erfolgen.

Sind bei einer konstanten Bewegung der Schweißnaht

höhere Geschwindigkeiten der Roboter erforderlich,

gibt es zwei Ausweichstrategien beabsichtigt:

Die Bewegungsgeschwindigkeit der Schweißnaht

wird reduziert. Der Schweißer muss sich durch eine

Reduktion der Schweißgeschwindigkeit oder durch ein

Bewegen der Schweißpistole entlang der Schweißnaht

anpassen. Das System verbleibt im Modus 3.

Um den Mitarbeiter vor erhöhten Geschwindigkeiten

der Roboter während der Umorientierung zu schützen,

tritt der Mitarbeiter aus dem Arbeitsbereich des Roboters

zurück und quittiert dies. Die Sicherheitskonfiguration

des Systems wechselt in den Modus 4 mit einer

räumlich getrennten Mensch-Roboter-Kooperation, sodass

die Umorientierung der teilgeschweißten Baugruppe

erfolgen kann, ohne dass der Mitarbeiter im Gefahrenbereich

ist.

Neben dem Schutz vor schnellen Bewegungen des

Robotersystems muss der Mitarbeiter vor Scher- und

Quetschstellen geschützt werden. Diese können zwischen

Armteilen der Roboterkinematik oder zwischen

zwei gegriffenen Bauteilen auftreten. Nach Möglichkeit

sollen Scher- und Quetschstellen im Prozess bereits

während der Planungsphase im Offline-Programmiersystem

vermieden werden. In Rahmen des Projektes

rorarob ist geplant, die zu schweißenden Bauteile

durch die Handhabungsroboter in eine Vorposition

nahe der statischen Schweißposition zu bringen. Die

exakte Positionierung soll dann durch den Mitarbeiter

über eine anwenderfreundliche Mensch-Roboter-

Schnittstelle erfolgen. Dies ist notwendig, um bauteilbedingte

oder prozessbedingte Toleranzen auszugleichen.

Insbesondere während dieser Phase besteht eine

erhöhte Quetschgefahr zwischen den Bauteilen. Um

zu verhindern, dass sich während des Ausrichtens

Extremitäten des Mitarbeiters (z. B. Finger, Hand oder

Arm) im Gefahrenbereich befinden, muss in dieser

Phase eine sichere Position der Extremitäten sicher

gestellt sein. Technisch ist die Nutzung von Zustimmschaltern

vorgesehen.

4. Prospektive Planung durch Offlinesimulation

Für die Planung und Programmierung von automatisierten

Systemen, wie Roboterzellen, ist Software zur Offline-

Programmierung und Simulation der Anlagen weit verbreitet.

Um nun hybride Systeme mit einer direkten Kooperation

zwischen Mensch und Roboter in einer solchen

Simulationsumgebung abbilden zu können, muss diese

um ein digitales Menschmodell erweitert werden. Erst

dies ermöglicht es dem Anwender, eine Simulation des

gesamten Systems, einschließlich der menschlichen Kinematik,

durchzuführen, um Kollisionsgefahren und

weitere ergonomische Aspekte, wie belastende Körperhaltungen

des Mitarbeiters, zu analysieren und zu bewerten.

Die im beschriebenen Projekt verwendete Offline-Programmiersoftware

ist Famos, entwickelt von Carat Ro-

58

atp edition

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BILD 5: Visualisierung der hybriden Mensch-Roboter-Zelle in Famos

BILD 6: Gelenkpunkte des implementierten Menschmodells (A) / Beispiel für einen OWAS-Haltungscode (B)

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botic Innovation GmbH (www.carat-robotic.de). Bisher

ist diese Software in der Lage, Roboter-Anwendungen in

einer virtuellen Arbeitsumgebung abzubilden und zu

simulieren. Der innerhalb des Projektes verfolgte Ansatz

ist, ein „Character Animation System“ (CAS) aus der Unterhaltungsindustrie

zu verwenden, um ein bewegtes

Menschmodell in die bestehende Lösung zu integrieren

(BILD 5). In diesem Fall wird EmotionFX von MGD

(www.mysticgd.com) verwendet, ein CAS welches für

Videospiel-Anwendungen entwickelt wurde.

Die Hauptaufgaben, die das Menschmodell in der

Offline-Programmierung der hybriden Mensch-Roboter-Zelle

übernehmen soll, sind die Vermeidung von

Kollisionen und die Bewertung der ergonomischen

Bedingungen während der Bewegungssequenz beziehungsweise

der Bahnplanung. Um zu verhindern, dass

der Mitarbeiter durch direkten Kontakt zwischen dem

Roboter einem Verletzungsrisiko ausgesetzt wird, müssen

in der Bahnplanung bereits prospektiv die Bewegungen

des Mitarbeiters während des Schweißens

berücksichtigt werden. Mit einem Menschmodell in

der Offline-Programmierumgebung ist es möglich, den

Bewegungspfad der Roboter mit den Bewegungen des

Mitarbeiters abzustimmen, um so eine sichere und

bewegungsökonomische Mensch-Roboter-Kooperation

sicherzustellen.

Neben der Vermeidung von unmittelbaren Gefahren

ist zusätzlich die langfristige Erhaltung der Gesundheit

und Arbeitskraft des Mitarbeiters durch frühe ergonomische

Analyse zu gewährleisten. Zusätzlich zur Simulation

der menschlichen Bewegungen, einschließlich

der anthropometrischen Anpassung des Modells, wird

ein ergonomisches Bewertungsverfahren zur Beurteilung

der auf den Mitarbeiter wirkenden Belastung bei

der Arbeitsausführung in die Offline-Programmierumgebung

integriert.

Eine dieser Bewertungsmethoden ist das Owako Work

Analyse System (OWAS) [14]. Die Methodik beinhaltet

insgesamt 252 mögliche Kombinationen aus Haltung

und Belastung, unterteilt in vier Rückenhaltungen, drei

Armhaltungen und sieben Beinstellungen mit jeweils

drei Lastdimensionen. Innerhalb der Simulation kann

aus den Gelenkpositionen des Modells die Körperhaltung

zu jedem Zeitpunkt identifiziert werden und in

einen Haltungscode überführt werden (Bild 6).

Die Gelenkkoordinaten und Bewegungsdaten können

aus der Simulation extrahiert werden. Mit diesen

Informationen ist es möglich, über die Haltungsart

und -zeit eine Bewertung nach der OWAS-Methodik

abzuleiten. Systematisch wird dabei die Zeitdauer

der einzelnen Körperhaltung in der gesamten analysierten

Bewegungssequenz ermittelt und die resul-

Referenzen

[1] Thomas, C., Busch, F., Kuhlenkötter, B., Deuse, J.: Safe and

Ergonomic Collaboration of Humans and Robots for Welding

of Assemblies. In: Proceedings of 3rd CIRP Conference on

Assembly Technologies and Systems (CATS) 2010 “Responsive,

customer demand driven, adaptive assembly”, 01.

–03.06.2010, Trondheim (Norwegen), S. 121–125

[2] Thomas, C., Kuhlenkötter, B.: Sichere und kollaborierende

Mensch-Roboter-Interaktion – Entwicklung eines robotergestützten

Assistenzsystems für das Handling im Schweißprozess.

In: Internationales Forum Mechatronik (IFM) 2010

Conference volume, 03./04.11.2010, Winterthur (Schweiz)

[3] www.autonomik.de, Bundesministerium für Wirtschaft und

Technologie (18.04.2011)

[4] Busch, F., Deuse, J.: Ergonomische Bewertung von

manuellen Schweißarbeitsplätzen mittels Automotive

Assembly Work Sheet (AAWS). In: 57. Arbeitswissenschaftlicher

Kongress, Gesellschaft für Arbeitswissenschaft, 23.

–25.03.2011, Chemnitz, GfA-Press, S. 585–588

[5] Fritzsche M., Schulenburg E., Elkmann N., Girstl A., Stiene

S., Teutsch, C.: Safe Human-Robot Interaction in a Life

Science Environment, Proc. of the IEEE International

Workshop on Safety Security and Rescue Robotics, 2007

[6] Schraft, R. D., Helms, E., Hans, M., Thiemermann, S.:

Man-Machine-Interaction and Co-Operation for Mobile and

Assisting Robots, Proceedings of EIS 2004

[7] Reinhart, G., Roesel, W.: Interactive Robotassistant in

Production Environments – Safety Aspects in Human-

Robot Cooperation. In: Zeitschrift für wirtschaftlichen

Fabrikbetrieb Jahrgang 105, 2010, S. 80–83

[8] Hueppi, R., Grueninger, R., Nielsen, E.: Effizienter

Robotereinsatz schon bei kleineren und mittleren Serien.

Proceedings ifm 2006 Mechatronic-Cluster Clusterland

Oberösterreich GmbH, Linz, 2006

[9] Albu-Schaeffer, A., Haddadin, S, Ott, Ch., Stemmer, A.,

Wimkoeck, T., Hirzinger, G.: The DLR lightweight robot:

design and control concepts for robots in human environments.

In: Industrial Robot: An international Journal, Vol.

34 (5), 2007, S. 376–385

[10] Beumelburg, K.: Fähigkeitsorientierte Montageablaufplanung

in der direkten Mensch-Roboter-Kooperation.

Dissertation, Institut für industrielle Fertigung und

Fabrikbetrieb, Universität Stuttgart, 2005

[11] Thiemermann, S.: Direkte Mensch-Roboter-Kooperation in

der Kleinteilemontage mit einem SCARA-Roboter.

Dissertation, Institut für industrielle Fertigung und

Fabrikbetrieb, Universität Stuttgart, 2005

[12] DIN EN ISO 10218, Teil 1: Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen

– Teil 1: Roboter. Beuth Verlag, Berlin, 2009

[13] DIN EN ISO 10218, Teil 2: Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen

– Teil 2: Robotersystem und Integration. Beuth

Verlag, Berlin, 2008

[14] Mattila, M.: Analysis of working postures in hammering

tasks on building construction sites using the computerized

OWAS method, Applied ergonomics; 24/6, S. 405, 1993

60

atp edition

7-8 / 2011

tierende Belastung auf den Bewegungsapparat für

Rücken, Arme und Beine ermittelt. Im Anschluss

können daraus abgeleitete Korrekturmaßnahmen,

zum Beispiel bezogen auf die aktuelle Bahnplanung,

durchgeführt werden.

5. Fazit

Ziel des Projektes ist es, eine industriell anwendbare

Lösung für die Kombination der Fähigkeiten von

Mensch und Robotern zu entwickeln. Um dies zu erreichen,

ist es notwendig, Sicherheitskonzepte für überlappende

Arbeitsräume mit nicht trennenden Schutzeinrichtungen

aufzubauen und aus den bestehenden

Insellösungen heraus zu kombinieren. Die Umsetzung

der Lösung in einem Demonstrator an der TU Dortmund

verlief bisher mit großem Erfolg und zeigte hinsichtlich

der Eignung für den Einsatz bereits einen

hohen Reifegrad der eingesetzten technischen Lösungen.

Es zeigte sich auch, dass die Norm DIN EN ISO 10218-

1 und der Normentwurf DIN EN ISO 10218-2 zwar nun

die verschiedenen Möglichkeiten und Grenzen einer

Mensch-Roboter-Kooperation definieren, für eine industriell

nutzbare Lösung jedoch insbesondere die maximale

Geschwindigkeit von 250 mm/s, die derzeit für

eine direkte Kooperation vorgeschrieben ist, in Bezug

auf einen sicheren Betrieb noch differenzierter analysiert

werden muss.

Manuskripteingang

00.00.2010


Autoren

Dipl.-Ing. Carsten Thomas (geb. 1979) studierte an der

TU Dortmund Maschinenbau. Seit seinem Abschluss als

Diplom Ingenieur arbeitet er als wissenschaftlicher

Mitarbeiter am Lehrstuhl IRPA. Derzeitige Tätigkeiten

sind Mensch-und Prozesssicherheit sowie Handhabungsaufgaben

für ein robotergestütztes Assistenzsystem.

TU Dortmund,

Lehrstuhl für Industrielle Robotik und

Produktionsautomatisierung (IRPA),

Leonhard-Euler-Str. 2, D-44227 Dortmund,

Tel. +49 (0) 231 755 56 15,

E-Mail: mail@irpa.de

Dipl.-Ing. Felix Busch (geb. 1982) ist wissenschaftlicher

Mitarbeiter am Lehrstuhl für Arbeits und Produktionssysteme

an der Technischen Universität Dortmund. Als

Industrial Engineer liegen seine Arbeitsschwerpunkte

insbesondere in den Bereichen Montagesystemgestaltung,

Zeitwirtschaft, digitale Fabrik und schlanke Produktion.

TU Dortmund,

Lehrstuhl für Arbeits- und Produktionssysteme (APS),


Tel. +49 (0) 231 755 26 52,

E-Mail: sekretariat.aps.mb@tu-dortmund.de,

Prof. Dr.-Ing. Bernd Kuhlenkötter (geb. 1971) leitet den

Lehrstuhl IRPA an der TU Dortmund. Schwerpunkte sind

industrielle Robotersysteme, Simulation von robotergestützten

Handhabungs- und Bearbeitungsprozessen sowie

benutzerfreundliche Programmier- und Simulationssysteme

für die Robotik. Zuvor verantwortete er den Bereich

Product Management & Technology bei der ABB Robotics.

TU Dortmund,

Lehrstuhl für Industrielle Robotik und

Produktionsautomatisierung (IRPA),


Tel. +49 (0) 231 755 56 15,

E-Mail: mail@irpa.de

Förderhinweis

und Danksagung

Der Beitrag basiert auf dem Forschungsprojekt

„rorarob“, gefördert durch das Bundesministerium

für Wirtschaft und Technologie auf Beschluss des

Bundestages. Ferner danken wir dem Deutschen

Luft- und Raumfahrt e. V. als Projektträger und den

beteiligten Projektpartnern Carat Robotic Innovation

GmbH, Dortmund); Böcker Maschinenwerke GmbH,

Werne, und MAN Turbo & Diesel SE, Oberhausen.

Prof. Dr.-Ing. Jochen Deuse (1967) ist Inhaber des Lehrstuhls

APS an der TU Dortmund. Arbeitsschwerpunkte sind

Themen rund um das Industrial Engineering, wie Arbeitssystemgestaltung

und Digitale Fabrik. Umfangreiche praktische

Erfahrungen sammelte er über mehrere Jahre innerhalb der

Bosch Gruppe.

TU Dortmund,

Lehrstuhl für Arbeits- und Produktionssysteme (APS),


Tel. +49 (0) 231 755 26 52,

E-Mail: sekretariat.aps.mb@tu-dortmund.de

atp edition

7-8 / 2011

61


Beschreibung mechatronischer

Objekte durch Merkmale

Integriertes Engineering

Dieser Beitrag beschreibt einen Ansatz zur Merkmalsmodellierung mittels AutomationML

unter Nutzung des CAEX-Rollenkonzeptes. Die Semantik der Merkmale wird über wiederverwendbare

Rollenbibliotheken definiert, die abstrakte Begriffe für deren Beschreibung

enthalten. Dieser Ansatz wird anhand von Merkmalen für mechatronische Systeme

und Einheiten demonstriert. Die dabei definierten Rollen unterstützen die Übersetzung

zwischen verschiedenen Planungssystemen und Datenmodellen und den Aufbau von

systemunabhängigen Komponentenbibliotheken.

SCHLAGWÖRTER AutomationML / Mechatronik / Engineering

Integrated Engineering –

Description of mechatronic objects by characteristic properties

This paper describes a comprehensive approach to modeling of system characteristics

using AutomationML and the CAEX-role concept. The semantic definition has to be done

on reusable role libraries, containing, models of abstract concepts for the description of

characteristic properties. This approach is demonstrated by the basis of features for mechatronic

systems and units. The roles defined here support the translation between

different planning systems and data models and the development of system-independent

component libraries.

KEYWORDS AutomationML / Mechatronics / Engineering

62

atp edition

7-8 / 2011

Josef Prinz, INPRO

Arndt Lüder, Otto-v.-Guericke Universität Magdeburg

Nico Suchold, IFAK

Rainer Drath, ABB AG

AutomationML ist ein Datenaustauschformat für

die konsistente Weitergabe von Planungsdaten

im Engineering von Produktionssystemen. AutomationML

ermöglicht die Abbildung von

Anlagenstrukturen, Geometrien, Kinematiken

und Verhalten von Anlagenkomponenten. Anlagenbeschreibungen

im AutomationML-Format sind hierarchische

Objektstrukturen, die alle Anlagenelemente, wie

Linien, Zellen, Funktionseinheiten, bis zu integrierten

Komponenten und Geräten, sowie deren Schnittstellen

umfassen. Informationsflüsse, Energieflüsse oder

Stoffflüsse werden über Relationen zwischen den

Schnittstellen abgebildet, charakteristische Merkmale

von Anlagenelementen über zugeordnete Attribute beschrieben.

Die Verfeinerungstiefe einer Objekthierarchie und die

Struktur einzelner AutomationML-Objekte sowie die

beschreibenden Attribute sind abhängig von der jeweiligen

Planungsphase und dem erreichten Detaillierungsgrad

der geplanten Anlage. Durch objektorientierte Beschreibungskonzepte

sind konsistente iterative Verfeinerungen

und Spezifizierungen möglich. Die Autoren

stellen ein Konzept vor, wie mit AutomationML neben

Objekten auch Merkmale abgebildet werden können.

Dies erfolgt beispielhaft für mechatronische Objekte und

ermöglicht die Beschreibung eines mechatronischen

Systems über den gesamten Lebenszyklus.

1. Daten mechatronischer Objekte im Engineering

Der Begriff der Mechatronik entstand in den 70er-Jahren

als Synonym für die Integration von Mechanik und Elektronik

zu einem ganzheitlich entworfenen Produkt [1]. Seit

dieser Zeit wurden weitere Technologiebereiche in den

Mechatronikbegriff integriert, sodass Mechatronik heute

als Synonym für die Betrachtung aller relevanten Entwurfsdisziplinen

und Technologien im Rahmen eines Entwurfs-

beziehungsweise Engineeringprozesses steht [2].

Diesem Gedanken folgend wurden in diversen Arbeiten

Vorgehensweisen zum mechatronischen Entwurf

von Systemen beschrieben [2 bis 5] und in Standards

überführt [6]. In allen diesen Arbeiten werden mechatronische

Systeme und die sie bildenden mechatronischen

Einheiten ähnlich definiert. Grundlage ist dabei

immer die Kombination von mechanischen, elektrischen

und informationsverarbeitenden Systemen. Dementsprechend

ist eine mechatronische Einheit eine gezielte,

gegebenenfalls hierarchische Kombination aus

mechanischen, elektrischen und informationsverarbeitenden

Bestandteilen zur Lösung eines spezifischen

Problems oder zur Erbringung spezifischer Funktionalitäten.

Ein mechatronisches System wird durch die

hierarchische Kombination von mechatronischen Einheiten

gebildet.

Jede mechatronische Einheit und damit jedes mechatronische

System lässt sich über die für diese Einheit

beziehungsweise dieses System charakteristischen

Eigenschaften beschreiben. Diese charakteristischen

Eigenschaften bilden gezielte Abstraktionen

der realen mechatronischen Einheiten / Systeme und

können in weiten Bereichen gemäß [7] als Merkmale

aufgefasst werden. Die für mechatronische Einheiten

/ Systeme charakteristischen Eigenschaften umfassen

den gesamte Lebenszyklus und damit alle in ihm relevanten

Informationen einschließlich konstruktiver

und anwendungsspezifischer Informationen der verschiedenen

Gewerke. Die Herausforderung bei der Anlagenplanung

im Vergleich zu der klassischen CAD-

Konstruktion besteht in der größeren Anzahl von

Merkmalen und zum Teil komplexen Abhängigkeiten

der Merkmale untereinander. Nach [2, 4] können diese

Eigenschaften und Merkmalsmengen wie in Bild 1

dargestellt klassifiziert werden.

Die topologischen Informationen umfassen charakteristische

Eigenschaften zur Beschreibung der hierarchischen

Struktur von Anlagen. Die steuerungstechnischen

Informationen beinhalten Eigenschaften und Merkmale

zum gesteuerten Verhalten, Steuerungssignale, SPS-Programmorganisationseinheiten,

Kommunikationssystemstrukturen,

Kommunikationssystemparameter und andere.

Demgegenüber enthalten die funktionsbeschrei-

atp edition

7-8 / 2011

63


benden Informationen Eigenschaften und Merkmale zu

den Funktionalitäten der mechatronischen Einheit wie

funktionale Parameter, Beschreibungen technologischer

Prozesse und Beschreibungen des Verhaltens. Die mechanischen

Informationen umfassen Eigenschaften und

Merkmale der gesamten mechanischen Konstruktion mit

Geometrie und Kinematik, die elektrischen, pneumatischen

und hydraulischen Informationen beinhalten Eigenschaften

und Merkmale der elektrischen, pneumatischen

und hydraulischen Konstruktion mit Rohrleitungs-

und Verkabelungsplänen sowie Verbindungslisten.

Betriebswirtschaftliche Informationen umfassen

Merkmale zur betriebswirtschaftlichen Nutzung der

mechatronischen Einheit wie Sachnummern, Informationen

zum Hersteller, Kosten, Flächenbedarf und ähnliches.

Die letzte Klasse bilden sonstige technische Informationen.

Sie beinhalten Zusatzinformationen in

Bedienungs-, Installations- oder Wartungsanleitungen

sowie technische Daten wie Material, Gewicht oder Leistungsaufnahme.

Nicht alle charakteristischen Eigenschaften mechatronischer

Einheiten können Merkmalen zugeordnet

werden. Beispielsweise kann die Existenz einer spezifischen

Programmeinheit zur Steuerung einer mechatronischen

Einheit als Merkmal aufgefasst werden, wohingegen

die Programmeinheit selbst und ihre Programmierung

nicht eindeutig als Merkmale aufzufassen sind.

Zudem können einzelne Merkmale mehreren Informa-

Steuerungstechnische

Informationen

Signale

SPS Programmorganisationseinheiten

…

Mechanische

Informationen

3D CAD

Kinematik

…

Elekrtr., Pneum.,

Hydraul. Informationen

Verkabelung

Verbindungen

Rohrleitungen

...

Topologische

Informationen

Anlagen- und

Geräteaufbau

Layout

Schnittstellen

Mechatronische

Einheit

Funktionsbeschreib.

Informationen

Funktionsbeschreibungen

Funktionale Parameter

Technologische Prozesse

….

Betriebswirtschaftliche

Informationen

Herstellerangaben

Artikelnummer

Preis

…

Sonstige techn.

Informationen

Gewicht

Energieverbrauch

techn. Dokumentation

BILD 1: Informationsmengen zur Beschreibung

einer mechatronischen Einheit

BILD 2: CAEX-Rollenkonzept nach [8]

RoleClassLibs

AutomationML-

BaseRole

AutomationML-

BaseRoleClassLib

…

Property-

Set

Commercial

Administrative

Technical

…

…

Mechanical

Electrical

Functional

AutomationML-

PropertySetRoleClassLib

Robot-

Mechanical

Robot-

Technical

Robot-

Functional

UserDefined-

PropertySet-

RoleClassLib

Geltungsbereich

Automation Engineering

(generell)

Mechatronische Einheiten

(generell)

spezifisch

BILD 3: Rollenbibliotheken und Gültigkeitsbereiche

BILD 4: Verwendung der PropertySet-Rolle und Anpassung

an Anforderungen konkreter Katalogobjekte

64

atp edition

7-8 / 2011

tionsmengen dieser Klassifikation zugerechnet werden.

So kann ein Flächenbedarfsmerkmal in der mechanischen

Konstruktion und auch in der betriebswirtschaftlichen

Sichtweise sinnvoll genutzt werden. Beide Probleme

stellen jedoch keinen Widerspruch zur nachfolgenden

Nutzung der Merkmale im Engineering dar. Im

Gegenteil, der bewusste Einsatz von Merkmalen ermöglicht

weitreichende Vorteile.

2. Durchgängigkeit durch AutomationML Rollen

Rollen sind ein Schlüsselkonzept von CAEX und wurden

zur herstellerunabhängigen Planung von Anlagen entwickelt.

Neben Objektinstanzen und SystemUnit-Klassen

stellen Rollenklassen eine dritte Säule der objektorientierten

CAEX-Konzepte dar. Instanzen beschreiben individuelle

Planungsobjekte, beispielsweise einen „Roboter21“,

während SystemUnit-Klassen Typen konkreter

Anlagenkomponenten eines Herstellers beschreiben und

als Herstellerkatalog verstanden werden können. Rollen

hingegen spielen eine Vermittlerrolle zwischen Instanzen

und SystemUnit-Klassen.

Die Idee hinter dem Rollenkonzept besteht darin, bei

der Anlagenplanung zunächst Objektinstanzen zu erzeugen

und ihnen nur eine Rolle zuzuweisen. Diese

Rolle beschreibt die „Bedeutung“ der Instanz, geht jedoch

nicht auf die technische Implementierung ein.

Dies entspricht einer technischen Grobplanung, die Instanzen

dienen als Platzhalter. Dies fördert das schrittweise

iterative Engineering. Prozesstechnische oder

fertigungstechnische Anlagen lassen sich mit einem

überschaubaren Satz von Rollen planen, ohne konkrete

technische Details planen zu müssen.

Im Rahmen des Planungsfortschritts werden die Instanzen

schrittweise miteinander verknüpft, Anforderungen

spezifiziert und anschließend jeweils eine technische

Implementierung ausgewählt: eine SystemUnit-

Klasse. Eine Rollenbibliothek stellt somit eine Sammlung

bedeutungsbehafteter Platzhalter dar und erlaubt

später eine automatische Interpretation der Funktionen

von Objektinstanzen. Rollen sind herstellerunabhängig

und lassen sich daher standardisieren. Sie bilden somit

ein semantisches Grundgerüst für die Bedeutung von

Objekten beziehungsweise Funktionen und unterstützen

die intuitive Vorgehensweise des Planers.

Bild 2 verdeutlicht dies an einem Beispiel: der Roboter

„RB_100“ (1) wird als CAEX InternalElement in der Instanzhierarchie

platziert. Über eine Assoziation zur Rolle

„Robot“ (2) wird dieser Instanz eine Bedeutung verliehen.

Erst mit einer Zuordnung einer SystemUnit-Klasse

(3) erfolgt die Auswahl eines konkreten Roboters eines

konkreten Herstellers.

Jeder SystemUnit-Klasse kann optional zugeordnet werden,

welche Rolle sie unterstützt. Dies ermöglicht ein explizites

Mapping zwischen herstellerunabhängigen Rollen

und herstellerspezifischen Komponenten. Dieses Mapping

kann beispielsweise genutzt werden, um teilautomatisiert

geeignete Kandidaten aus der SystemUnit-Bibliothek eines

Herstellers für die Erfüllung einer Funktion auszuwählen.

Rollen sind somit ein Schlüssel zur automatischen Interpretation

der Bedeutung von Objekten.

3. Die Rolle PropertySet

Das ursprüngliche Rollenkonzept diente ausschließlich

dazu, die Bedeutung von herstellerspezifischen

Objekten oder Klassen neutral zu beschreiben. Das

vorgestellte Konzept erweitert diese Idee auf Attribute.

Dazu definieren die Autoren die Rolle „PropertySet“.

Ein PropertySet ist eine Gruppe von semantisch und

syntaktisch wohldefinierten Merkmalen für einen bestimmten

Geltungsbereich. Jede dieser Attributgruppen

wird als eigene Rollenklasse modelliert und ist

von der Standard-Rolle „PropertySet“ abgeleitet. Solche

Rollenklassen lassen sich in Rollenbibliotheken

zusammenfassen, wodurch Attributwörterbücher definiert

werden können.

Das Konzept der PropertySets ist die Basis, um relevante

Merkmale von Objekten in einer einheitlichen

Form beschreiben und austauschen zu können. Die

beschriebene AutomationML-PropertySetRoleClass-

Lib deckt allgemeine Merkmalbeschreibungen mechatronischer

Einheiten ab. Erweiterungen und Spezialisierungen

des Geltungsbereichs können von

AutomationML-Anwendern selbst durch Spezialisierungen

der Standardrollen prozess- und domänenspezifisch

oder auch gerätespezifisch in eigenen Rollenbibliotheken

entwickelt werden, wie in Bild 3

beispielhaft dargestellt.

Die Rollenbibliothek der PropertySet-Rollen enthält

eine Sammlung grundlegender Attribute von mechatronischen

Objekten, wie technische, administrative und

kaufmännische Attribute. Der Aufbau der Rollenbibliothek

ist so gewählt, dass über die hierarchische Ordnungsstruktur

eine Kategorisierung der Merkmale vorgenommen

wird. In dieser Struktur sind die Informationsaspekte

eines mechatronischen Systems [4], die in

Abschnitt 1 erläutert wurden, enthalten.

In einer PropertySet-Rolle werden einzelne Merkmale,

oder eine Gruppe von Merkmalen definiert. Merkmale

einer PropertySet-Rolle werden der Rolle über

CAEX-Attribute zugeordnet. Bei der Definition der Attribute

von PropertySet-Rollen werden dort, wo es möglich

ist, SI-Einheiten eingesetzt. Bei der Verwendung

einer Rolle kann eine Selektion der benötigten Attribute

erfolgen (Bild 4). Ein Kostenmerkmal könnte zum

Beispiel über einen Wert in Euro oder alternativ über

einen Faktor angegeben werden, in der realen Komponente

wird aber nur der Euro-Wert benötigt. Dieselbe

Rolle kann mehrfach verwendet werden, um beispielsweise

mehrere Preise abzubilden oder eine Unterscheidung

zwischen unterschiedlichen Gewichtsangaben

wie dem Gesamtgewicht und der zulässigen Achslast

eines Objektes zu treffen.

Die Entwicklung von SystemUnit-Klassen für den Aufbau

von Merkmalsgruppen mit einer Kombination verschiedener

PropertySet-Rollen ist möglich. Damit können

Eigenschaften einer spezifischen Kategorie von

Komponenten (eine Geräteklasse) einheitlich definiert

werden.

Rollen unterstützen die iterative Vorgehensweise in

der Planung und die schrittweise Spezifizierung von

abstrakten und generischen Konzepten und Objekten

zu konkreten und spezifischen Objekten. Auch die in

atp edition

7-8 / 2011

65


der Planung verwendeten Objektbibliotheken spiegeln

die schrittweise Vorgehensweise wider. In der Grobplanung

werden Bibliotheken mit generischen Komponenten

verwendet, wohingegen Bibliotheken in der

Konstruktion und Inbetriebnahme, Modelle realer

Komponenten enthalten.

Objekte, die in einer vorgelagerten Planungsstufe

verwendet werden, enthalten in der Regel Anforderungsdefinitionen,

die erst in einem folgenden Planungsschritt

konkretisiert werden. Verknüpft man die

Anforderungsdefinitionen mit standardisierten Rollen

entsteht aus einer allgemeinen Beschreibung eine formale

Spezifikation. Auf Basis dieser Spezifikation kann

im nachfolgenden Planungsschritt die Selektion spezifischer

Bibliotheksobjekte erfolgen. Diese Objekte

können in einzelnen Details wieder nur grob beschrieben

sein und eine weitere Spezifizierung durch konkretere

Objekte verlangen. Dieser Prozess ist in Bild 5

schematisch dargestellt.

Mit dieser Art der Anforderungsdefinition ist es möglich,

die Umsetzung einer Eigenschaft über den gesamten

Planungsprozess zu verfolgen. Beispielsweise kann eine

geometrische Eigenschaft, wie der Platzbedarf von der

ersten groben Anforderung bis zum mechanischen und

elektrischen Einzelteil konsistent weitergereicht werden,

wenn die entsprechende Eigenschaft mit derselben PropertySet-Rolle

charakterisiert ist. In der ausgewählten

Komponente kann die Anforderung auf untergeordnete

grob spezifizierte Elemente weiterverteilt werden, die

ihrerseits die Anforderungen durch Zuweisung konkreterer

Elemente erfüllen.

Wird eine Rolle von einem Bibliotheksobjekt unterstützt,

wird das CAEX-Element SupportedRoleClass verwendet.

Wird eine Anforderung mittels einer Rolle spezifiziert,

wird das CAEX-Element RoleRequirements

verwendet. Bild 6 enthält eine Darstellung der verwendeten

CAEX-Elemente.

PropertySets unterstützen den Datenaustausch zwischen

verschiedenen Planungssystemen. Über ein Mapping

können Zuordnungen zwischen proprietären, systemspezifischen

Eigenschaften und standardisierten

Eigenschaften der vordefinierten Rollenbibliothek gemacht

werden. CAEX stellt dazu ein spezielles Mapping-

Objekt zur Verfügung. Ein Datenimporter, der eine AutomationML

formatierte Datei erzeugt, kann mit Hilfe

des Mapping-Objekts und den standardisierten PropertySet-Rollen

diese Zuordnungen erzeugen, wie in Bild 7

schematisch dargestellt ist.

Das Mapping auf ein anderes Merkmalssystem (zum

Beispiel Prolist [10]) würde in genau derselben Weise funktionieren.

Das Mapping in CAEX ist auf eine Namenszuordnung

eingeschränkt, Einheitenkonvertierungen oder

andere Umrechnungen sind Leistungen der verwendeten

Softwaretools. Durch die Verwendungen von SI-Einheiten

in der Definition der Standardrollen kann zumindest eine

Einheitenumrechnung automatisch erfolgen.

Planungsobjekt

kt

Anforderung durch Rolle

definiert

Spezifizierung

im nächsten

Schritt

unterstützte Rolle

Planungsobjekt

kt


definiert

Spezifizierung

im nächsten

Schritt

unterstützte Rolle

Planungsobjekt

kt


definiert

Spezifizierung

im nächsten

Schritt

SystemUnitClass:

MechatronicUnit

InternalElement:

Electrical Part

RoleRequirement:

„PropertySet/…/Size“

Gefordertes

Merkmal

SupportedRoleClass:


Erfülltes

Merkmal

generisch …….. konkret

InternalElement:

Electrical Part

RoleRequirement:


Gefordertes

Merkmal

Planungsstandard

Mechatronische Komponenten

Geräte

Funktion und

Struktur

Merkmale

Erfüllte Merkmale

Mechanische

Baugruppen

Merkmale

Elektrische

Baugruppen

Merkmale

Steuerung

Merkmale

Erfüllte Merkmale

BILD 6: Struktur einer Mechatronischen Einheit

in einer Planungsbibliothek

Konzeption …….. Realisierung

BILD 5: Unterstützung der schrittweisen Spezifizierung durch Rollen

66

atp edition

7-8 / 2011

4. Verwandtschaften zu Merkmalsystemen

Wie bereits erwähnt, ist die Beschreibung von Geräten

und Systemen auf Basis von Merkmalen mittlerweile

Stand der Technik. Das Handling, die Strukturierung und

die Klassifizierung dieser Merkmale werden in standardisierten

Merkmalsystemen beschrieben. Die Normreihe

IEC 61360 und ISO 13584 haben dabei eine besondere

Bedeutung. Sie bilden die strukturelle Basis für die Merkmalsysteme

[9], vor allem für ecl@ss und Prolist [10]. Die

Ordnung der Inhalte wird dabei in Form von Merkmalsleisten

beschrieben, welche in der Praxis als lineare Zusammenstellung

von Merkmalen verstanden werden und

in der Namur-Empfehlung NE 100 und der Norm IEC

61987-1 detaillierter beschrieben ist [11]. Insbesondere die

Typisierung von Merkmalsleisten zur Berücksichtigung

und Unterscheidung administrativer (AML; nicht zu verwechseln

mit AutomationML), kommerzieller (KML),

geräte- (GML) und umgebungsspezifischer (BML) Merkmalsaspekte

spielt in der Praxis eine bedeutende Rolle.

Neben den verschiedenen Aspekten der Merkmalsleisten

gibt es mit dem Konzept der Blockstruktur eine weitere

Möglichkeit, die Überschaubarkeit, ab einer gewissen

Anzahl von Merkmalen, in einer Merkmalsleiste zu gewährleisten.

Ein Block ist dabei nach Empfehlung der

Namur (NE 100) eine „ … Zusammenfassung von Merkmalen,

die eine Abstraktion einer komplexen Eigenschaft

eines Gerätetyps beschreiben.“ [11]

Ein Merkmal hat charakterisierende Attribute. Die

Kennung ist eine eindeutige Identifikation eines Merkmals,

weil in unterschiedlichen Domänen und sprachabhängig

die Benennung variieren kann. Die Bedeutung

des Merkmals wird durch die Definition und/oder einen

Verweis auf eine Norm oder andere Quelle festgelegt. Die

quantitative Aussage ist in einer Werteliste und dem

Werteformat hinterlegt, die durch die Maßeinheit vervollständigt

wird. Die Normreihe IEC 61360 beschreibt

weitere Attribute wie Formelzeichen, Symbol oder Beziehung

zu anderen Merkmalen.

Es gibt eine Vielzahl von standardisierten Merkmalsystemen

für verschiedene Aspekte von zumeist industriellen

Produkten (das heißt Betriebsmitteln, zum Beispiel Elektrogeräte

und Materialien, mechanische Konstruktionselemente).

Entstanden sind diese Merkmalsysteme zur Unterstützung

für die elektronische Abwicklung von Beschaffungsprozessen

und um eine gemeinsame Sprache zur

Kunden-Lieferanten-Kommunikation zu etablieren. Ein

besonderer Wert liegt in der Definition und damit semantisch

eindeutigen, produktunabhängigen Festlegung tausender

Merkmale, die die Eigenschaften der Betriebsmittel

abbilden. Dadurch können diese standardisierten Merkmale

auch in Engineering-Lebenszyklusphasen außerhalb des

Beschaffungsprozesses eingesetzt werden und bieten insbesondere

CAE-Integratoren (zum Beispiel Systemhersteller,

Planungsdienstleiser) großes Potenzial, den Austausch

von Planungsinformationen effizienter zu gestalten.

SystemUnitClass: Robot

Attribute: Weight

InternalElement:

PropertySet

BILD 7:

Attribut-Mapping

MappingObject

RoleRequirement :

RoleClassRef: PropertySet

Weight

Gewicht

Attribute: Gewicht

Basic

Engineering

•AML

•BML

•GML

•KML

Anfrage

•AML

•BML

•GML

•KML

Angebot

•AML

•BML

•GML

•KML

Auswahl

•AML

•BML

•GML

•KML

Detail

Engineering

•AML

•BML

•GML

•KML

BILD 8: Nutzung der

Typen von Merkmalsleisten

im Projektfortschritt

[11]

atp edition

7-8 / 2011

67


So werden bereits bei einigen Herstellern die Produktdatenbanken

auf der Basis von Merkmalen aufgebaut, um die

engen Beziehungen zwischen der technischen Dokumentation,

der Produktion und den Bestellvorgängen besser

handhaben zu können. Beispiele dafür sind die Auslegung

von Kommunikationsnetzwerken auf der Basis der Merkmale

der Kommunikationsteilnehmer (wie unterstützte

Baudraten, Antwortzeiten und Datenlängen von Mess-,

Steuerungs- und Stellgeräten), die Ermittlung der Taktzeit

von Fertigungszellen auf der Basis der Merkmale der eingesetzten

Betriebsmittel und des Fertigungsprozessablaufes.

Das in den Abschnitten 1 und 3 behandelte Konzept

zur Beschreibung mechatronischer Objekte baut darauf

auf und unterstützt neben einem strukturierten Vorgehen

bei der Planung auch die semantisch validierte Beschreibung

und den Austausch dieser Planungsobjekte [12].

Unabhängig vom Anwendungsfeld verfolgt die Idee der

Rolle „PropertySet“ den gleichen Grundgedanken wie

die Merkmalsysteme ecl@ss und Prolist, nämlich die

Nutzung und Verbreitung standardisierter technischer

Daten in Form von Merkmalen. Die Verwendung der Rolle

„PropertySet“ unterstützt dabei den Umgang mit standardisierten

Merkmalsystemen teilweise in struktureller

und auch in semantischer Hinsicht. Die durch das Rollenkonzept

implizierte Klassifikation lässt sich auf

oberster Ebene der AutomationML-PropertySetRole-

ClassLib auf die Typisierung der Merkmalsleisten abbilden.

In den darunter liegenden Ebenen wird die Verfeinerung

der Merkmale durch generelle oder spezifische

Rollen ähnlich der Bildung von Merkmalsleisten mit

Blockstruktur abgebildet. Ein Teil der in der IEC 61360

beschriebenen Attribute, die ein Merkmal mit einer

quantitativen Aussage belegen, finden sich ebenfalls im

AutomationML Rollenkonzept wieder und können somit

genutzt werden, um die Ausprägung der Merkmale zu

beschreiben.

Referenzen

Autoren

[1] M. Tomizuka: Mechatronics: from the 20th to 21st Century, Control

Engineering Practice, Vol.10, no.8, pp.877-886, Aug. 2004

[2] A. Lüder, L. Hundt, M. Foehr, T. Wagner, J.-J. Zaddach: Manufacturing

System Engineering with Mechatronical Units, 15th IEEE International

Conference on Emerging Technologies and Factory Automation

(ETFA 2010), Bilbao, Spain, September 2010, Proceedings-CD

[3] M. Gehrke: Entwurf mechatronischer Systeme auf Basis von Funktionhierarchien

und Systemstrukturen, Promotion, Paderborn, Oktober 2005

[4] J. Kiefer: Mechatronikorientierte Planung automatisierter Fertigungs -

zellen im Bereich Karosserierohbau, Promotion, Univ. des Saarlandes,

Saarbrücken, 2007

[5] K. Thramboulidis: “Challenges in the Development of Mechatronic

Systems: The Mechatronic Component”, 13th IEEE Int. Conf. on Emerging

Technologies and Factory Automation (ETFA’08), Sept. 2008, Hamburg,

Germany, Proceedings

[6] Verein Deutscher Ingenieure: VDI-Richtlinie 2206 - Entwicklungsmethodik

für mechatronische Systeme, Düsseldorf, 2004

[7] DIN 2342 - Begriffe der Terminologielehre, Beuth Verlag, September 2004

[8] Drath R.; Weidemann D.; Lips S.; Hundt L.; Lüder A.; Schleipen M.;

Datenaustausch in der Anlagenplanung mit AutomationML . - Heidelberg

[u.a.]: Springer, ISBN 978-3-642-04673-5, S. 221-305, 2010

[9] International Electrotechnical Commission: IEC 61360 - Standard data

element types with associated classification scheme for electric

components - Part 1: Definitions - Principles and methods.

Edition 2.1, Part 2: Component Data Dictionary (2004)

[10] Ahrens, W.: Eine Gegenüberstellung von VDI/VDE 3682, Prolist,

eCl@ss – Kapitel 2 - atp edition 9/2010

[11] Namur – Interessengemeinschaft Automatisierungstechnik der Prozessindustrie;

NE 100 - Nutzung von Merkmalleisten im PLT-Engineering-

Workflow - Version 3 (2006)

[12] Muehlhause M.; Suchold N.; Diedrich, Chr.: Application of semantic

technologies in engineering processes for manufacturing systems.

10th IFAC Workshop on Intelligent Manufacturing Systems, Lisbon/

Portugal, 1.-2.07.2010. Proceedings

Dipl.-Inform. Josef Prinz (geb. 1957) studierte von

1978 bis 1984 Diplom-Informatik an der Universität

Dortmund. Seit 1987 ist er Mitarbeiter der INPRO

GmbH in Berlin. Er betreut Projekte für die Automobilindustrie

im Bereich Anlagenplanung und Planung

und Optimierung von Logistiksystemen. Sein fachlicher

Schwerpunkt liegt in der Material flusssimulation,

der Datenintegration und der Digitalen Fabrik.

INPRO Innovationsgesellschaft für fortgeschrittene

Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH,

Hallerstraße 1; D-10587 Berlin,

Tel. +49 (0) 30 39 99 71 61, E-Mail: Josef.Prinz@inpro.de

PD Dr.-Ing. habil. Arndt Lüder (1968) arbeitete von

1995 bis 2000 an der Otto-von-Guericke Universität

Magdeburg und später an der Martin-Luther-Universität

Halle-Wittenberg. An letzterer erlangte er 2000 den Titel

eines Dr.-Ing. Seit 2001 arbeitet er am IAF und IMS der

Otto-von Guericke Universität, wo er 2007 zum Thema

"Verteilte Steuerungssysteme" habilitierte. Das Hauptarbeitsgebiet

von Arndt Lüder ist die Anwendung innovativer

Technologien auf dem Gebiet der Fabrikautomation.

Neben diesen Forschungsarbeiten ist er in die

Arbeit der Arbeitsgruppe "Agenten in der Automation"

der GMA sowie als Vorstand in die Arbeit des AutomationML

e.V. involviert.

Otto-v.-Guericke Universität Magdeburg,

Fakultät Maschinenbau, Institut für Mobile Systeme

& Institut für Arbeitswissenschaft, Fabrikautomatisierung

und Fabrikbetrieb Center Verteilte Systeme, Gebäude 10,

Raum 437, Universitätsplatz 2, D-39106 Magdeburg,

Tel. +49 (0) 391 6 71 18 26, E-Mail: arndt.lueder@ovgu.de

68

atp edition

7-8 / 2011

5. Fazit und Ausblick

Ziel von AutomationML ist, die Schaffung eines durchgängigen

Engineerings durch ein standardisiertes Datenaustauschformat.

Spezielle PropertySet-Rollen für die

Charakterisierung von mechatronischen Einheiten erlauben

es künftig, Anforderungen und Spezifikationen

mechatronischer Einheiten auszutauschen und so

Schnittstellen zwischen der Anlagenplanung und den

Beschaffungsprozessen zu realisieren. Der systemunabhängige

Aufbau mechatronischer, modularer Komponentenkataloge

wird unterstützt, die Verwendung der

Kataloge im Planungsprozess und die Integration in die

verwendeten Planungssysteme über spezifische Mappings

sind möglich.

Manuskripteingang

06.Juni 2011


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Dipl.-Wirt.-Inform. Nico Suchold (geb. 1977)

arbeitet seit 2007 am ifak – Institut für Automation

und Kommunikation e.V. Magdeburg

und leitet dort den Forschungsschwerpunkt

„Angewandte Informationstechnologien“ im

Bereich „IT & Automation“. Im Umfeld der

Automatisierungssysteme beschäftigt er sich

mit der modellbasierten Integration digitaler

Planungsergebnisse für eine optimierte

virtuelle Inbetriebnahme.

ifak -Institut f. Automation

und Kommunikation e.V.

Magdeburg Werner-Heisenberg-Str. 1

D-39106 Magdeburg,

Tel. +49 (0) 391 9901474,

E-Mail: nico.suchold@ifak.eu

Dr.-Ing. Rainer Drath (geb. 1970) ist Senior

Principal Scientist im ABB Forschungszentrums

Deutschland in Ladenburg. Er beschäftigt sich

mit der Entwicklung neuer Konzepte und

Methoden zur Verbesserung des Engineerings

von Automatisierungssystemen

ABB Forschungszentrum Deutschland

Wallstadter Straße 59,

D-68526 Ladenburg,

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

E-Mail: rainer.drath@de.abb.com

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hauptbeitrag

Synergien zwischen Medizinund


am Beispiel UV-Behandlung von Hautkrankheiten

Der Beitrag stellt eine neuartige Behandlung vor, bei der über ein Bilderkennungsverfahren

erkrankte Hautpartien erkannt und dann über eine Bestrahlungseinheit nur diese erkrankten

Partien mit UV-Licht bestrahlt werden. Die gesunden Partien werden nicht bestrahlt

und somit geschont. Aus der Automatisierungstechnik gewonnene Verfahren und Erkenntnisse

sind erfolgreich auf ein Projekt der Medizintechnik angewandt worden.

SCHLAGWÖRTER Synergie / Medizintechnik / Automatisierungstechnik / UV-Behandlung /

Hautkrankheit

Synergies between Automation Technology and Medical Engineering

using the example of UV-treatment of skin diseases

This article describes how experience gained in the automation domain was successfully

used for the development of the medical device for the UV treatment of skin diseases.

KEYWORDS synergy / medical engineering / automation technology / UV treatment /

skin diseases

70

atp edition

7-8 / 2011

Karl-Heinz Niemann, Oliver Schmerling, Fachhochschule Hannover,

Friedrich Lüllau, Lüllau Engineering GmbH

In der Bundesrepublik Deutschland sind, laut Angabe

des statistischen Bundesamtes, 2 bis 3% der Bevölkerung,

also etwa 2 Millionen Menschen an Schuppenflechte

(Psoriaris) erkrankt [1]. Bei dieser Krankheit

bilden sich auf der Haut unregelmäßige Erkrankungsherde.

Bild 1 zeigt ein typisches Erkrankungsbild.

Eine der möglichen Behandlungsmethoden sieht die

Bestrahlung der Haut mit UV-Licht vor. Bisher wurde

hierbei in der Regel der gesamte Körper der zu behandelnden

Person bestrahlt. Dies hat zur Folge, dass sowohl

die erkrankte als auch die gesunde Haut der UV-

Strahlung ausgesetzt wird. Da die Behandlung üblicherweise

regelmäßig wiederholt werden muss, führt

die regelmäßige aber ungewollte Bestrahlung der gesunden

Hautpartien zu Hautalterung und gegebenenfalls

auch zur Entwicklung von Hautkrebs. Im Folgenden

wird ein neuartiges Behandlungsverfahren beschrieben,

bei dem über ein Bilderkennungsverfahren

erkrankte Hautpartien erkannt und dann über eine Bestrahlungseinheit

nur diese erkrankten Partien mit UV-

Licht bestrahlt werden. Die gesunden Partien werden

nicht bestrahlt und werden somit geschont.

1. Technisches Konzept

Bild 2 zeigt das realisierte Bestrahlungsgerät. Der zu behandelnde

Patient liegt auf einer Liege. Darüber ist der

Bestrahlungskopf mit integrierter Kamera platziert.

Der obere waagerechte Holm lässt sich über Gelenke positionieren

und zusätzlich neigen. In den Holm integriert

ist die Belichtungseinheit. Diese besteht aus einer modulierbaren

UV-Strahlenquelle und einem Kamerasystem.

Durch die realisierten Freiheitsgrade lässt sich die Belichtungseinheit

über der zu behandelnden Person verfahren,

um so den Patienten, bei großflächigen Erkrankungen, in

mehreren Teilvorgängen bestrahlen zu können.

Die in der Belichtungseinheit integrierte Kamera erfasst

die Hautoberfläche. Über einen Erkennungsalgorithmus

werden die erkrankten Hautpartien identifiziert

und es wird daraus eine Belichtungsmaske berechnet.

Diese Belichtungsmaske definiert auf welche Hautpartien

UV-Licht appliziert werden soll und auf welche nicht.

Diese Belichtungsmaske wird einem Digital Mirror Device

(DMD) in der Belichtungseinheit übergeben. Die in

Bild 3 dargestellte Belichtungseinheit besteht neben dem

DMD aus der UV-Lichtquelle, einem Kondensor zur Bündelung

des Lichtes und einem Projektionsobjektiv.

Das UV-Licht der Lichtquelle wird auf das DMD projiziert.

Dieses besteht aus einer Matrix von 1024 mal 768

mikroskopisch kleinen Spiegeln. Die Spiegelmatrix kann

durch die Software des Steuerrechners so beeinflusst werden,

dass entweder das Licht des Pixels auf den Patienten

fällt, oder durch Drehung des Spiegels in einen Absorber

geleitet wird. Mit Hilfe dieser Anordnung kann die aus

dem Bild berechnete Belichtungsmaske auf den Patienten

projiziert werden. DMDs kommen heute in Videoprojektoren

zum Einsatz (DLP-Projektoren) und erzeugen dort

in Verbindung mit einem Farbrad farbige Bilder. In diesem

Projekt erzeugt das DMD ein einfarbiges Bild (Licht / kein

Licht) Durch eine zeitliche Modulation der Spiegelneigung

eines jeden einzelnen Spiegels können bis zu 256

unterschiedliche Helligkeitswerte erzeugt werden. Da

herkömmliche DMDs der UV-Strahlung nicht standhalten,

kommen spezielle UV-feste DMD-Typen zum Einsatz.

Während des Bestrahlungsvorganges überwacht die

Kamera Bewegungen der zu behandelnden Person und

führt die Belichtungsmaske entsprechend nach. Ein

Streifenprojektionsverfahren soll künftig zusätzlich die

Höhentopologie der zu behandelnden Person erfassen

und ein entsprechender Software-Algorithmus wird

dann unter Kenntnis des Höhenprofils Intensitätsunterschiede

in der Bestrahlung ausgleichen.

2. Synergien zwischen Medizin- und


Das technische Prinzip des Gerätes wurde im Rahmen

des BMBF-Projektes UVUV [2] erarbeitet. Die derzeitige

Entwicklung des ersten seriennahen Prototypen

wird über das BMWi Projekt UVST gefördert. Momen-

atp edition

7-8 / 2011

71


BILD 1: Erscheinungsbild der Schuppenflechte

BILD 2:

Bestrahlungsgerät

BILD 4:

Verfahren zum

Erkennen erkrankter

Hautpartien

Chroma (Farbsättigung)

Hue (Farbtonwinkel)

BILD 3: Strahlengang im

Bestrahlungskopf.

BILD 5: Vereinfachte Klassifizierung von

Bildpixeln in gesunde und kranke Haut

72

atp edition

7-8 / 2011

Aufgabe

Erfassung der erkrankten Hautpartien

über Kamerasystem

Verfolgung von Patientenbewegungen

in Echtzeit

Ermitteln der Höhentopologie der

zu behandelnden Person

Entwicklung der PC-basierten

Steuer software, Integration von

Kamera und DMD-Treibern

Hardwareentwicklung des Steuer-

Rechners für die Erfassung von

Messsignalen und für die Ansteuerung

der Antriebe über seriellen

Bus sowie zur Kommunikation

über seriellen Bus mit dem

Leitrechner

Entwicklung von Software gemäß

den sicherheitstechnischen

Anforderungen der Medizintechnik

Beherrschung des Softwarelebenszyklus

für sicherheitsgerichtete

Systeme

Verwaltung der Patienten- und

Bilddaten in einer Datenbank

Erfassung von Messsignalen für

Temperaturen, Positionen,

Strahlungsdichten

Integration komplexer Hard- und

Softwaresysteme

Erforderliche Kompetenz

im Projekt

Kenntnisse in der Bildverarbeitung.

Erkennung von Kanten und

Strukturen

Kenntnisse in der Echtzeit-

Bilddaten verarbeitung

Verfahren zur optischen Messung

von Höhenprofilen über Streifenprojektiontion

Kenntnisse in der Programmierung

von SW-Systemen in C# unter

Windows für die Visualisierung von

Prozessdaten und die Entwicklung

grafischer Bedienoberflächen

Kenntnisse in der Hardware-Entwicklung

eingebetteter Systeme

mit serieller Kommunikation zum

überlagerten System

Beherrschung des einschlägigen

Normenwerkes, z.B. Anwendung

des Risikomanagements für

Medizinprodukte DIN EN ISO

14971, Anwendung der Gebrauchstauglichkeit

auf Medizin produkte

DIN EN 62366

Beherrschung der entsprechenden

Normen für Software-

Lebenszyklus nach DIN EN 62304

Datenbankanwendung unter

Nutzung eines SQL-Servers

Beherrschung der entsprechenden

Messverfahren zur Einbindung der

Messstellen

Integration von Mechanik, Elektronik,

Echtzeitsoftware und PC-Software

zu einem funktionierenden

Gesamtgerät

Verwandtes Arbeitsgebiet in der


Optische Prüfung von Werkstücken

in der Fertigungstechnik

Erfassung und Verfolgung von

Bauteilen in Fertigungsprozessen

in Echtzeit über Kamerasysteme

Optische Vermessung von Werkstücken

mittels Streifenprojek

Entwicklung von Bedien- und

Beobachtungsstationen für

Prozessleitsysteme. Einbindung

von Kamerasystemen für die

Prozessüberwachung und von

Projektionssystemen für die

Prozessvisualisierung

Entwicklung von echtzeitfähigen

eingebetteten Systemen mit

serieller Kommunikation zu

unter- und über geordneten

Systemen

Entwicklung von sicherheitsgerichteten

Systemen nach IEC 61508

Realisierung des Software

Leben szyklus für die Entwicklung

von sicherheitsgerichteten

Systemen nach IEC 61508 Teil 3

Datenbankapplikationen zur

Erfassung von Daten in Produktionsprozessen,

z. B. in MES-Systemen

Messtechnik in Prozessautomatisierungssystemen

Integration von mechatronischen

Komponenten mit verteilten

Automatisierungssystemen

TABELLE 1: Synergien Medizin- und Automatisierungstechnik

atp edition

7-8 / 2011

73


BILD 6: Erkennung über dynamischen Schwellenwert

BILD 7: Erkennung über Support Vector Machine

BILD 8: Verfahren zur

Patientenverfolgung

tan ist ein erstes Muster des seriennahen Standes im

Zulassungsverfahren.

An dem bisher beschriebenen Funktionsprinzip lässt

sich erkennen, dass sich ein solches Gerät nur in einem

interdisziplinären Team entwickeln lässt. Neben

Kenntnissen im Maschinenbau und in der technischen

Optik sind auch Qualifikationen im Bereich der Elektronik,

der Bildverarbeitung, des Software-Engineering

und der Sicherheitstechnik gefragt. In der Regel sind

Automatisierungstechniker nicht in Medizintechnikprojekten

tätig. In der vorliegenden Projektkonstellation

ergab es sich jedoch, dass sich das Fachgebiet Prozessinformatik

und Automatisierungstechnik der FH-

Hannover in das Projekt einbringen konnte, obwohl der

bisherige Schwerpunkt der Aktivitäten nicht im Bereich

der Medizintechnik lag. Nach einer ersten Analyse

der Aufgabenstellung kristallisierten sich eine

Reihe von Ansatzpunkten heraus, bei denen Kenntnisse

aus dem Bereich Automatisierungstechnik in das

Projekt nutzbringend eingesetzt werden konnten.

Die Tabelle 1 zeigt, dass viele Aufgabenstellungen im

Projekt Entsprechungen in der Automatisierungstechnik

aufweisen. Hierdurch war es möglich, vorhandene Kompetenzen

in das Projekt einzubringen, obwohl die Aufgabenstellung

aus einer grundsätzlich anderen Problemdomäne

stammt. Gerade die Kenntnisse im Bereich der

Entwicklung sicherheitsgerichteter Hard- /Softwaresysteme

konnten gut in das Projekt eingebracht werden. Hier

sind die Anforderungen der Medizintechnik ähnlich denen

der Sicherheitstechnik in der Prozessautomatisierung.

In beiden Fällen geht es darum, Personen und Anlagen

im Falle einer Fehlfunktion vor Schaden zu bewahren.

3. Beispiele für angewandte Verfahren

3.1 Erkennung erkrankter Hautpartien

Die Erkennung der erkrankten Hautpartien über ein Bildverarbeitungssystem

ist eine der wesentlichen Komponenten

des Bestrahlungssystems. Die Bildinformation wird

über ein Kamerasystem, welches auch in der industriellen

Bildverarbeitung eingesetzt wird, eingelesen. Probleme bei

der Erkennung der erkrankten Flächen sind dabei:

Helligkeitsverläufe im Bild durch Kontur des

menschlichen Körpers

Fremdlichteinwirkung durch Tageslicht,

Deckenlicht

Unterschiedlichen Hauttypen (hell, dunkel)

zeigen unterschiedliche Krankheitsbilder

Bild 4 zeigt das implementierte Verfahren zur Erkennung

der erkrankten Hautpartien. Ein Medianfilter glättet das

Bild zunächst, um kleinere Hautunregelmäßigkeiten zu

entfernen, welche bei den nachfolgenden Bearbeitungsschritten

stören würden. Im nächsten Schritt wird nur

der für die Erkennung relevante Farbbereich (Hauttöne)

ausgewählt. Danach erfolgt über eine Support Vector Machine

(SVM) [3] eine Klassifizierung der Bildpixel. Die

SVM teilt über ein Klassifizierungsverfahren die Bildpixel

in die zwei Klassen „gesunde Haut“ und „erkrankte Haut“

ein. Hierbei werden die Bildpixel in einem Vektorraum

abgelegt und durch eine Hyperebene getrennt.

Bild 5 veranschaulicht an einem vereinfachten Beispiel,

wie man die Bildinformationen durch eine Grade in zwei

74

atp edition

7-8 / 2011

Klassen trennen kann. Die Grade dient also zur Klassifizierung

der Pixel in „gesund“ und „erkrankt“. Abschließend

werden die gefundenen Hautpartien noch über die Auswahl

bestimmter Sättigungswerte weiter verfeinert. Das vorgestellte

Verfahren unter Nutzung der SVM ist einfachen Algorithmen,

wie beispielsweise einem Schwellenwertverfahren,

deutlich überlegen. Beleuchtungsabhängige Helligkeitsverläufe

oder starke Körperbehaarung stören die Erkennung

kaum. Darüber hinaus lässt sich das Verfahren auf

unterschiedlichen Hauttypen (hell /dunkel) trainieren.

Bild 6 zeigt die Erkennungsrate eines Schwellenwertverfahrens.

Der Lichtabfall am rechten Bildrand und

am Arm des Patienten führt zu Fehlerkennungen. Im

Vergleich dazu ist in Bild 7 die Erkennung unter Nutzung

der Support Vector Machine dargestellt. Die Erkennung

ist deutlich verbessert, auch bei starker Körperbehaarung

des Patienten. In automatisierungstechnischen

Anwendungen kommen Support Vector Machines

beispielsweise bei der nichtlinearen Modellbildung

technischer Prozesse zum Einsatz [4].

3.2 Patientenverfolgung

Die Bestrahlung der erkrankten Hautpartien liegt im Minutenbereich

und kann in Einzelfällen bis zu 20 Minuten

andauern. Während dieser Zeit sind leichte Bewegungen

der zu behandelnden Person nicht auszuschließen. Diese

Bewegungen führen bei laufender Bestrahlung dazu, dass

sich das Bestrahlungsfeld und die erkrankte Hautpartie

nicht mehr decken. Gesunde und relativ UV-empfindliche

Haut würde bestrahlt. Aus diesem Grund ist es erforderlich,

Bewegungen des Patienten zu erfassen und die Belichtungsmaske

der Bewegung nachzuführen. Um die im

medizinischen Bereich nötige hohe Genauigkeit der Nachverfolgung

zu gewährleisten, wird zurzeit mit einem markerbasierten

Verfahren gearbeitet. Ein rechteckiger grüner

Aufkleber (siehe Bild 7) mit definiertem Höhen-/Seitenverhältnis

dient hierbei als Markierung zur Verfolgung

der Patientenbewegungen.

Das Verfahren zur Patientenverfolgung ist in Bild 8

dargestellt. Da eine grüne Markierung verwendet

wird, wird zunächst die Grüninformation aus dem

Bild extrahiert und mit Hilfe der Rot- und Blaukanäle

normalisiert, um eine Unabhängigkeit von der Beleuchtung

zu erhalten. In einem weiteren Schritt werden

über ein Kantenerkennungsverfahren (Difference

Edge Detector) alle Kanten im Bild extrahiert. Eine

nachgeschaltete Bilderkennung identifiziert zusammenhängende

Objekte im Konturenbild und entfernt

diejenigen, die nicht den spezifizierten Kriterien, wie

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Bankleitzahl

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Datum, Unterschrift

Kontonummer

PAISO12010


zum Beispiel einer bestimmten Größe, entsprechen.

Danach wird geprüft, ob das erkannte Gebilde die

Form eines Recheckes mit einem definierten Höhen-/

Seitenverhältnis aufweist. Ist die Form erkannt worden,

wird die Position (beispielsweise die Mitte des

Rechtecks) als Koordinate bestimmt.

Um die Sicherheit des Verfahrens zu gewährleisten,

werden während des Vorgangs laufend Plausibilitätskontrollen

durchgeführt. Die erkannten Koordinaten werden

nur übernommen, sofern ein genau passendes Objekt in

dem aktuellen Bild gefunden wurde. Das Verfahren erlaubt

die Verfolgung von Bewegungen der Markierfläche.

Translation, Rotation und Entfernungsänderung werden

erkannt. Die Grundidee für das Verfahren stammt aus

der Glyphen-Erkennung- und Verfolgung. Glyphen können

in der Robotik unter anderem zur Navigation und

zur Übermittlung von Kommandos an Roboter verwendet

werden [5]. Aber auch Anwendungen in der Automatisierungstechnik

zum Beispiel bei der Produktidentifikation

sind möglich. Hier können Scanner aus einem

Kamerabild 2D-Barcodes extrahieren, die an einer beliebigen

Stelle im Bild angebracht sein können.

Zusammenfassung

Methoden und Verfahren der Automatisierungstechnik

sind auch für die Entwicklung medizintechnischer

Geräte einsetzbar. Gerade die Verfahren zur Entwicklung

komplexer, echtzeitfähiger Systeme lassen sich

sinnvoll einsetzen. Know-how aus der Entwicklung

von sicherheitsgerichteten Systemen konnte in ähnlicher

Art wieder verwendet werden. Die Softwarelebenszyklen

sind sehr ähnlich, die Anforderungen an

die Software vergleichbar. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit

zwischen Hochschulen und Firmen bietet

eine Wissensbasis, in der die Teildisziplinen gut

verzahnt werden konnten.

Manuskripteingang

10. Juni 2011

Referenzen


[1] Traupe, H., Robra, B.-P.: Gesundheitsberichterstattung des

Bundes, Heft 11, Schuppenflechte. Statistisches Bundesamt,

Robert Koch Institut. 2002

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FH³-Forschungsprojekt: „Entwicklung eines umfeldschonenden

Verfahrens zur UV-Behandlung von Hautkrankheiten

(UVUV)“. Projekt gefördert vom BMBF, Förderkennzeichen

1728A05. Hannover. 2009. Download: http://edok01.tib.

uni-hannover.de/edoks/e01fb09/614271002.pdf

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Classification Problems in Control Engineering.

VDI-Verlag, Düsseldorf , 2008

[5] Kirillov, A.: Glyph’s Recognition.

http://www.aforgenet.com/articles/glyph_recognition/

Autoren

Prof. Dr.-Ing. Karl-

Heinz Niemann

(Jahrgang 1959)

vertritt seit dem Jahr

2005 die Lehrgebiete

Prozessinformatik

und Automatisierungstechnik

an der

Fachhochschule

Hannover. Von 2002 bis 2005 war er an

der Fachhochschule Nordostniedersachsen

für das Lehrgebiet Prozessdatenverarbeitung

verantwortlich. Davor war er

in leitender Stellung in der Entwicklung

von Prozessleitsystemen unter anderem

bei ABB, Elsag Bailey und Hartmann &

Braun tätig.

Dipl.-Ing. Friedrich

Lüllau (Jahrgang

1955) ist geschäftsführender

Gesellschafter

der Lüllau

Engineering GmbH.

Seit 2009 betreibt er

hauptberuflich das

Ingenieurbüro

Lüllau Engineering GmbH mit dem Ziel,

daraus ein Industrieunternehmen der

Medizintechnik zu formen. Seine

Arbeitsschwerpunkte sind Technologie,

Strategie und Produktdesign sowie

Management, Marketing, Vertrieb und

das Finanzwesen.

Dipl.-Ing. (FH)

Oliver

Schmerling

(Jahrgang 1978)

arbeitet seit 2007 im

Rahmen verschiedener

Drittmittelprojekte

als wissenschaftlicher

Mitarbeiter

an der Fachhochschule Hannover.

Darunter auch an dem Projekt „Entwicklung

eines medizinischen UV-

Bestrahlungsgerätes mit Minimierung

des Karzinomrisikos“ (UVST) sowie

dem Forschungsprojekt „Umfeldschonende

Behandlung von Hautkrankheiten

mit UV-Licht“ (UVUV).

Fachhochschule Hannover,


Postfach 92 02 61, D-30441 Hannover.

Tel. +49 (0) 511 92 96 12 64,

E-Mail: Karl-Heinz.Niemann@FH-Hannover.de

Lüllau Engineering GmbH,

Auf dem Schmaarkamp 21,

D-21339 Lüneburg,

Tel. +49 (0) 4131 70 97 99 71,

E-Mail: fl@luellau-engineering.de

Fachhochschule Hannover,


Postfach 92 02 61, D-30441 Hannover.

Tel. +49 (0) 511 92 96 12 64,

E-Mail: Oliver.Schmerling@FH-Hannover.de

76

atp edition

7-8 / 2011

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ISBN: 978-3-8356-3204-2

Die bequeme und sichere Bezahlung per Bankabbuchung wird mit einer

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praxis

Drahtlose Ortungssysteme maßgeschneidert:

mobile Betriebsmittel per RFID überwachen

Die skalierbaren Lösungen eignen sich auf für die Kontrolle innerhalb geschlossener Hallen

RFID-Lokalisierungssysteme erlauben einen effizienteren

Einsatz beispielsweise von tragbaren Werkzeugen,

mobilen Maschinen, Transportbehältern, Fahrzeugen.

Zudem können Besucher, eigenes Personal und

Betriebsmittel zuverlässig überwacht und gemanagt

werden. Selbst für Ex-Bereiche sind derartige Lösungen

verfügbar. Durch skalierbare Leistungsfähigkeit machen

sie passgenaue und kostengünstige Implementierungen

möglich.

Lokalisierungssysteme können Funksignale unterschiedlicher

Art verwenden. Grundbaustein aller Lösungen

sind Transponder, die an Fahrzeugen oder Betriebsmitteln

angebracht oder von Personen zum Beispiel an

der Arbeitskleidung getragen werden. In der zu überwachenden

Anlage werden außerdem gegebenenfalls erforderliche

Controller installiert. Hardwareseitig nutzen

gängige Lösungen entweder den Funkstandard RFID

(Radio Frequency Identification) oder das Global Positioning

System (GPS).

Spezielle Systeme zur RFID-Ortung ermöglichen auch in

Ex-Bereichen die Standortbestimmung von Personen, Fahrzeugen

und anderer mobiler Betriebsmittel.

Ein Edgeware-Server sorgt für den reibungslosen Datenaustausch

zwischen dem RFID-Lokalisierungssystem und Anwendungen

auf der übergeordneten IT-Ebene.

RFID-Tags

für das ISwireless-

System sind in sehr

rauer Umgebung

einsetzbar und

bleiben dank ihrer

langlebigen Batterie

viele Jahre wartungsfrei

funktionstüchtig.

Bilder: R. Stahl

GPS EIGNET SICH NUR FÜR DEN AUSSENEINSATZ

GPS bietet prinzipiell den Vorteil, dass kein eigenes Netzwerk

von Empfängern in einer Anlage installiert werden

muss. Für viele Prozessanlagen scheidet diese Option

allerdings von vornherein aus, da sich das Satelliten-gestützte

System nur für Außenbereiche eignet. Sehr oft soll

aber auch das Innere von Gebäuden in die Überwachung

einbezogen werden, wo sich eine ständige Verbindung

zum Satellitensystem nicht gewährleisten lässt und GPS

daher nicht einsetzbar ist.

Im Gegensatz dazu ist ein Lokalisierungssystem auf

Basis von aktiven RFID-Tags für Indoor- und Outdoor-

Nutzung gleichermaßen geeignet. Solche Transponder

übermitteln und empfangen Daten im Freien oft noch

über weit mehr als 100 m. Auch Signale aktiver Tags in

Gebäuden sind noch in beträchtlicher Entfernung zu

empfangen, sogar durch mehrere Wände hindurch. Darüber

hinaus liegen die Kosten pro Transponder-Einheit

klar unter denen von GPS-Sendern in Industrieausführung.

PASSGENAUE LÖSUNG FÜR JEDEN EINZELFALL

Ein Echtzeitsystem zur Positionsbestimmung kann

grundsätzlich gut auf die konkreten Bedürfnisse individueller

Anwender abgestimmt werden. Berücksichtigt

werden kann erstens die Größe des zu überwachenden

Areals insgesamt. Außerdem kann nach Standorten mit

Anlagen im Gebäudeinneren, solchen mit Anlagen ausschließlich

im Freien und den recht häufigen gemischten

Szenarien differenziert werden. Daneben unterscheidet

sich je nach Anwendung auch die geforderte Ortungsgenauigkeit

und -geschwindigkeit.

Eine Rolle für Projektierung und Implementierung einer

passgenauen Lösung spielen schließlich noch die

Bewegungshäufigkeit und -geschwindigkeit der Betriebsmittel

oder der Personen, die mit Lokalisierungs-Tags

versehen werden sollen. Die einfachsten Systeme registrieren

lediglich die Anwesenheit beobachteter Arbeits-

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mittel oder Personen an wenigen konkreten Orten. Objekte

und Mitarbeiter mit Tags werden in diesem Fall nur

jeweils dann identifiziert und geortet, wenn ihre Signale

von den an den spezifischen Orten einzeln installierten

RFID-Controllern empfangen werden. So kann beispielsweise

bei Evakuierungen festgestellt werden, ob

und wann alle im Gebäude anwesenden Mitarbeiter

bestimmte Sammelpunkte erreicht haben. Das Container-Tracking

wiederum lässt sich bei einer solchen Lösung

zum Beispiel dazu nutzen, das Eintreffen eines

leeren Tanks an einem Ankunfts- oder Abstellpunkt zu

registrieren, ebenso dessen Erreichen einer Reinigungsstation

sowie beispielsweise die Bereitstellung zur erneuten

Befüllung und Verladung.

GANZE ZONEN UNTER KONTROLLE

Mit einem leistungsfähigeren System lassen sich weitergehende

Überwachungsmöglichkeiten für ganze Zonen

schaffen. Notwendig ist dazu die Installation einer Reihe

fest installierter Controller, die als Verbund eine Zone

bilden. Nützlich ist dies unter anderem für die laufend

aktuelle Standortbestimmung von Arbeitsmitteln, die

immer wieder mobil in unterschiedlichen Teilbereichen

eingesetzt werden und deren aktueller Standort nicht immer

absehbar und planbar ist. R. Stahl zum Beispiel bietet

Systemlösungen zur Zonenlokalisierung an, die in

einem Umkreis von bis zu 160 m anwesende RFID-Tags

identifizieren und dem entsprechenden Anlagenteil zuordnen

können.

Im anspruchsvollsten Szenario kann eine exakte Lokalisierung

beispielsweise von Personen in bestimmten

Räumen oder Behältern auf bestimmten Stellflächen erfolgen.

Eine entsprechend genaue Positionsbestimmung

von RFID-Tags lässt sich auf der Grundlage der Signalfeldstärke

eines Tags oder anhand von Laufzeitmessungen

ermitteln. Um einen Einsatz auch in Anlagen mit

gas- und staubexplosionsgefährdeten Bereichen zu ermöglichen,

stellt R. Stahl aktive RFID-Tags in eigensicherer

Bauart zur Verfügung und bietet die Controller

des Systems in druckfest gekapselten Gehäusen an.

GEEIGNET FÜR einen GROSSEN TEMPERATURBEREICH

Die Komponenten sind auf einen sehr breiten Umgebungstemperaturbereich

von -40 °C bis +50 °C (Transponder)

beziehungsweise -20 °C bis +60 °C (Controller) ausgelegt.

Die Controller in Schutzart IP66 sind für die Installation

in Zone 1 und 2 sowie 21 und 22 geeignet. Die nicht einmal

2 cm hohen Tags sind gerade für Außenbereiche noch

robuster (Schutzart IP67) konstruiert – sie können zusätzlich

auch in der Zone 0 beziehungsweise 20 verwendet

werden. Ihre Batterie-Lebensdauer ermöglicht eine Nutzung

über sechs bis zehn Jahre. Die Controller erlauben

die Positionsüberwachung von bis zu 100 RFID-Tags pro

Sekunde und über 1000 Tags an Geräten oder Personen

insgesamt.

Die RFID-Empfänger verfügen sowohl über eine Standard-100BaseTx-

als auch über eine WLAN-Client-

Schnittstelle, passen also physikalisch zur üblichen

Ethernet-Infrastruktur. Bei der vorgestellten Lösung

werden die von den RFID-Empfängern gesammelten Informationen

über eine Edgeware von R. Stahl aufbereitet.

Im einfachsten Fall bedeutet dies, dass die Informationen

von den Controllern abgefragt und gefiltert werden:

Redundante Informationen werden ausgesondert, nur

die effektive Statusänderung wird an Kundenapplikationen

weitergegeben.

EDGEWARE SCHREIBT UND LIEST DIE DATEN

Zusätzlich übernimmt die Edgeware das Schreiben und

Lesen von Daten auf und von RFID-Tags. Jeder Transponder

kann mit 112 Bytes zusätzlichen Nutzdaten beschrieben

werden. Unter Edgeware ist eine Middleware zu verstehen,

die auf einem sogenannten Edge Server läuft, das

heißt einem strukturell am Netzwerk-Rand platzierten

System. Es stellt den Übergangspunkt zwischen der RFID-

Infrastruktur und der höheren IT-Ebene dar: Die Aufbereitung

durch die Edgeware ermöglicht die Datenübergabe

zwischen einer genormten Schnittstelle auf der einen

und übergeordneten Softwareanwendungen auf der anderen

Seite. Bei Letzteren kann es sich beispielsweise um

spezielle Asset Tracking-Software, ERP-Systeme, Scada-

Lösungen oder PLS handeln.

Die Edgeware bedient sich der Protokollspezifikation

SOAP. Diese Schnittstelle zum Web gewährleistet bei

verschiedensten IT-Topologien sehr flexible Möglichkeiten

zur Integration. Funktionen wie Gate Access, People

Monitoring und Container Tracking lassen sich dank

SOAP komfortabel über einen Browser nutzen. Erforderliche

und gewünschte übergeordnete Software wird entsprechend

der Kundenanwendung ausgewählt und üblicherweise

von einem Systemintegrator implementiert.

Dabei kann es sich um einen Dienstleister handeln, der

bereits ERP-Systeme beim Anwender installiert hat.

Autor

Karl-Heinz Christoffel

ist tätig im Vertrieb Automatisierung

bei R. Stahl.

R. Stahl AG,

Am Bahnhof 30, D-74638 Waldenburg,

Tel. +49 (0) 162 282 44 73

E-Mail: karl-heinz.christoffel@stahl.de

atp edition

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praxis

Sichere Verbindung in jeder Umgebung

Bewährter Steckverbinder lässt sich nun auch unter extremen Bedingungen einsetzen

Fit für extreme

Umweltbedingungen:

Für den Außeneinsatz in

verschiedensten Einsatzfeldern

wurde eine

Outdoor-Version des

M12-Steckverbinders

entwickelt.

Härtetest:

Während ihrer Entwicklung

mussten die neuen

Steckverbinder auch

Klimatests bestehen.

egen seiner Robustheit und seiner hohen Marktdurchdringung

ist der M12-Steckverbinder seit

W

langem eine gute Wahl für Signal- und Datensteckverbindungen.

Schon heute wird das System in Outdoor-

Applikationen eingesetzt. Eine neue Version des Verbinders

mit modifizierten Materialien erlauben nun

auch den langfristig zuverlässigen Einsatz unter extremen

Bedingungen.

Signal- und Datensteckverbinder aus dem industriellen

Umfeld werden immer häufiger auch im Außenbereich

eingesetzt. Die dort herrschenden Umweltbedin-

gungen setzen den Komponenten, die nicht für den

extremen Einsatz konzipiert wurden, oft schwer zu –

ein sicherer Betrieb über einen längeren Zeitraum ist

kaum möglich. Mit umfangreichen Tests und einer neuen

Materialkombination hat Phoenix Contact den weit

verbreiteten M12-Steckverbinder nun für den Extremeinsatz

fit gemacht.

Erneuerbare Energien, intelligente Systeme für Infrastruktur-Projekte,

die Forderung nach hoher Verfügbarkeit

von Maschinen und Anlagen – das sind die Trends,

die den klassischen Industrie-Steckverbindern neue

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atp edition

7-8 / 2011

Anwendungsfelder erschließen. Steckverbinder in

Windkraftanlagen, in Solar-Nachführungs-Steuerungen

oder auch im Nutz- und Sonderfahrzeugbau unterscheiden

sich zunächst kaum von denen in Fabrikhallen.

Das ist durchaus nachvollziehbar, da viele der

praxisbewährten Eigenschaften und Funktionen aus

dem Industrieumfeld auch im Extremeinsatz benötigt

werden. Industrie-Steckverbinder bieten aufgrund ihrer

Bauart Schutz gegen das Eindringen von Schmutz,

Staub und Flüssigkeit. Zudem sind sie so robust ausgelegt,

dass Schock und Vibration ihnen nichts anhaben

können. Auf der anderen Seite können die extremen

Anforderungen im Außenbereich die Lebenszyklen einzelner

Bauteile verkürzen.

Bei der Entwicklung und Auslegung von Komponenten

für extreme Einsatzgebiete müssen zunächst die unterschiedlichsten

Anforderungen exakt definiert werden.

Denn es gibt weder eine Norm noch marktübliche Testvorgaben,

nach denen sich ein Steckverbinder für den

Outdoor-Einsatz konzipieren ließe. Allgemein gilt, dass

Steckverbindungen im Außenbereich mit UV-Strahlung,

Ozonbelastung, trockener und feuchter Wärme, Regen

und Schnee sowie Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt

zurecht kommen müssen. Besonders der extreme

Wechsel zwischen Temperaturbereichen stellt eine hohe

Belastung für die Materialien dar. Auch die mechanische

Beanspruchung sowie die Forderung des Endanwenders

nach leichter und flexibler Montage spielen in diesem

Kontext eine Rolle.

Der M12-Steckverbinder, seit Jahren Rückgrat in der

Automatisierungstechnik, wird immer häufiger auch in

den erwähnten Applikationen nachgefragt und eingesetzt.

Einen Nachweis für die Outdoor-Tauglichkeit von

M12-Steckverbindern fehlt aber bislang.

Am Anfang der Entwicklung des Outdoor-M12 standen

daher ein detailliertes Anforderungsprofil und ein umfassender

Prüfplan, der neben den M12-Norm-Anforderungen

gemäß IEC 61076-2-101 auch die spezifischen

klimatischen und mechanischen Anforderungen der

Outdoor-Bereiche widerspiegelt.

Zunächst wurden die handelsüblichen M12-Steckverbinder

gründlichen Tests unterzogen. Dabei kristallisierte

sich heraus, dass viele der in konventionellen Steckverbindern

verwendeten Materialien und Materialkombinationen

den hohen Anforderungen des Outdoor-Einsatzes

nicht genügten.

Bei der neuen M12-Outdoor-Serie von Phoenix Contact

kommen daher Gehäusematerialien wie PP (Polypropylen),

PA (Polyamid) und PBT (Polybutylenterephthalat)

zum Einsatz. Bei den umspritzten Steckverbindern wurde

ein neues Dichtkonzept im Umspritzbereich entwickelt,

das sich an Leitungskonzepte im Solarbereich

anlehnt. Diese Anpassungen ermöglichen auch unter den

widrigsten Witterungsbedingungen die Einhaltung der

Schutzarten IP67 und IP69k. Zudem weisen die Leitungen

auch bei hohen Temperaturen eine hohe Ölbeständigkeit

auf – wovon zum Beispiel Mobilhydraulik-Applikationen

profitieren. Spezielle Dichtungen verhindern

ein Verspröden und eine mögliche Rissbildung und somit

das vorzeitige Altern.

Die Metallteile für die Verschraubungen sowie die

Schirmungskomponenten bei den geschirmten Steckverbindern

bestehen aus korrosionsbeständigen hochwertigen

Edelstahl-Legierungen wie V4A oder einem neuartig

beschichtetem Zink-Druckguss. So ist auch bei aggressiver

Atmosphäre, etwa bei Seeklima, ein optimaler Korrosionsschutz

über einen langen Zeitraum möglich. Bewähren

mussten sich die neuen Verbinder in der Testphase

unter anderem in: Witterungstest (UV), IP67, IP68,

IP69k, Kesternich-Test, Salznebel-Sprüh-Test, schnelle

Temperaturwechsel, konstante feuchte Wärme, trockene

Hitze, korrosive Gase und Ozon-Beständigkeit.

Das M12-Outdoor-Programm von Phoenix Contact umfasst

Verteilerboxen, konfektionierbare Steckverbinder

sowie vorkonfektionierte M12-Leitungen in unterschiedlichen

Längen. Die M12-Leitungen sind geschirmt und

ungeschirmt verfügbar, die Schirmelemente des Steckverbinders

sind dabei erstmalig in Edelstahl ausgeführt.

Die Anbindung des Schirmgeflechtes erfolgt nicht durch

eine auf die Leitung gecrimpte Verbindung, sondern

durch eine 360°-Verbindung direkt auf der Schirmhülse.

Selbst bei hohen mechanischen Belastungen durch

Schock und Vibration arbeitet die Schirmung sicher und

unterbrechungsfrei. Damit sind auch CAN-Bus- oder

Ethernet-Varianten möglich, die häufig für die Datenkommunikation

in den beschriebenen Applikationen

genutzt werden.

Der Anwender muss stets die Umwelteinflüsse auf

seine spezifische Applikation bewerten. Nicht immer

ist eine Outdoor-Steckverbindung notwendig. Da aber

zahlreiche Umwelteinflüsse die Materialien erst über

einen längeren Zeitraum schädigen, ist eine nachgewiesene

Outdoor-Tauglichkeit ein nicht zu unterschätzender

Faktor – im Hinblick auf die Sicherheit und damit

auch auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage.

Autor

Dipl.-Wirt.-Ing. Michael

Lüdke ist im Produkt-

Marketing Industrie-Steckverbinder

Pluscon tätig.

Phoenix Contact GmbH & Co. KG,

Flachsmarktstr. 8, D-32825 Blomberg,

Tel.: +49 (0) 5235 33 02 52,

E-Mail: mluedke@phoenixcontact.com

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Verlag:

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Rosenheimer Straße 145

D-81671 München

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

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


Geschäftsführer:

Carsten Augsburger

Jürgen Franke

Hans-Joachim Jauch

Publisher:

Wolfgang Mönning

Herausgeber:

Dr. V. Huck

Dr. G. Kegel

Dipl.-Ing. H. Kumpfmüller

Dr. N. Kuschnerus

Beirat:

Dr.-Ing. K. D. Bettenhausen

Prof. Dr.-Ing. Ch. Diedrich

Prof. Dr.-Ing. U. Epple

Prof. Dr.-Ing. A. Fay

Prof. Dr.-Ing. M. Felleisen

Prof. Dr.-Ing. G. Frey

Prof. Dr.-Ing. P. Göhner

Dipl.-Ing. Th. Grein

Prof. Dr.-Ing. H. Haehnel

Dr.-Ing. J. Kiesbauer

Dipl.-Ing. R. Marten

Dipl.-Ing. G. Mayr

Dr. J. Nothdurft

Dr.-Ing. J. Papenfort

Dr. A. Wernsdörfer

Dipl.-Ing. D. Westerkamp

Dr. Ch. Zeidler

Organschaft:

Organ der GMA

(VDI/VDE-Gesell schaft Messund

Automatisierungs technik)

und der NAMUR

(Interessen gemeinschaft

Automatisierungs technik der

Prozessindustrie).

Redaktion:

Gerd Scholz (verantwortlich)

Telefon + 49 (0) 89 4 50 51-3 44

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

E-Mail: scholz@oiv.de

Anne Hütter

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Einreichung von Hauptbeiträgen:

Prof. Dr.-Ing. Leon Urbas

(Chefredakteur, verantwortlich

für die Hauptbeiträge)

Technische Universität Dresden

Fakultät Elektrotechnik

und Informationstechnik

Professur für Prozessleittechnik

D-01062 Dresden

Telefon +49 (0) 351 46 33 96 14

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Fachredaktion:

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Dr. B. Kausler

Dr. N. Kiupel

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I. Rolle

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Praxis“ erscheint

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Praxis – rtp“ gegründet.

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ISSN 2190-4111

Die Ausgabe 9 / 2011 der

erscheint am 29.8.2011

Mit folgenden Beiträgen:

Montagemaschinen simulieren

– Automatisierte Erstellung von

Verhaltensmodellen

Life Cycle Support per

Simulator – Konzept und

Umsetzung für große Anlagen

Informationstechnische

Unterstützung der

Arbeitsabläufe in der

Anlagenplanung

Von Zäunen befreit – Roboter

mit Ultraschall absichern

...und vielen weiteren Themen.

Aus aktuellem Anlass können sich die Themen

kurzfristig verändern.

LeserService

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