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 


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 


7-8 / 2011 

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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 

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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 


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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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 


7-8 / 2011 

9

10 

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- 


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 


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 


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- 


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 


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

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 


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 


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 


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: 

http://www.atp-online.de 

Bitte senden Sie Ihre Beiträge an: 

urbas@oiv.de 

Vom Wettbewerb ausgeschlossen sind Mitarbeiter des Oldenbourg Industrieverlags. Wird ein Beitrag von mehreren Autoren eingereicht, gelten die Bedingungen für den Erstautor. Der Preis 

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. 

www.atp-online.de

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 


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 


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. 


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 


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 


7-8 / 2011 

25

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- 

26 


7-8 / 2011

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. 


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 

28 


7-8 / 2011


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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 


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 


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 


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 


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 


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 


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 


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 


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 


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. 


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 


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 


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 


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. 


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 


7-8 / 2011

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Widerrufsrecht: Widerrufsrecht: Sie können Sie Ihre können Vertragserklärung Ihre Vertragserklärung innerhalb innerhalb von zwei von Wochen zwei Wochen ohne Angabe ohne Angabe von Gründen von Gründen in Textform in Textform (z.B. Brief, (z.B. Brief, Fax, E-Mail) Fax, E-Mail) oder oder durch durch Rücksendung Rücksendung der Sache der Sache widerrufen. widerrufen. 

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Oldenbourg Oldenbourg Industrieverlag Industrieverlag oder vom oder Vulkan-Verlag vom Vulkan-Verlag □ per Post, □ per □ Post, per Telefon, □ per Telefon, □ per Telefax, □ per Telefax, □ per □ E-Mail, per E-Mail, □ nicht □ nicht über interessante über interessante Fachangebote Fachangebote informiert informiert und und beworben beworben werde. werde. Diese Diese Erklärung Erklärung kann kann ich ich mit mit Wirkung Wirkung für für die die Zukunft Zukunft jederzeit widerrufen. 

✘ ✘


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 


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- 


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 


7-8 / 2011

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- 


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 


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 


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. 


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 


7-8 / 2011

Mehr Diagnose 

für intelligente 

Sensoren und Aktoren 

IO-Link 

Intelligente Geräte brauchen 

einfache Schnittstellen 

Diese Neuerscheinung ist didaktisch so aufgebaut, dass es je 

nach Qualifikation, verschiedene Einstiegs-Levels (Einsteiger, 

Fortgeschrittene, Experten) gibt. 

Das umfassende Kompendium beschreibt die neue, herstellerunabhängige 

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

auf einfache Weise Daten mit der überlagerten Steuerung austauschen. 

Anstatt vieler proprietärer Systeme muss der Anwender in 

Zukunft also nur noch ein System kennen. Parametrierungen können 

automatisch in die Geräte geladen und umgekehrt Diagnose- und 

Wartungsinformationen an die Leitwarte gemeldet werden. Was sich 

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

Ergänzend zu den detaillierten, theoretischen Beschreibung und ihrer 

Vorteile finden Ingenieure und Praktiker aus dem Maschinen- und 

Anlagenbau, Betreiber, Instandhalter, Planer und Systemintegratoren 

auch vertiefende Übungen und praktische Beispiele. 

Autoren: P. Wienzek, J. R. Uffelmann 

1. Auflage 2010, 310 Seiten, Broschur 

Oldenbourg Industrieverlag München 

www.oldenbourg-industrieverlag.de 

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Sofortanforderung per Fax: +49 (0)201 / 82002-34 oder im Fensterumschlag einsenden 


Ex. 

IO-Link 

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

für € 89,90 (zzgl. Versand) 

Die bequeme und sichere Bezahlung per Bankabbuchung wird 

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


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

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Bankleitzahl 

Kontonummer 

✘ 

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Vulkan-Verlag per Post, per Telefon, per Telefax, per E-Mail, nicht über interessante, fachspezifische Medienund Informationsangebote informiert und beworben werde. Diese Erklärung kann ich mit Wirkung für die Zukunft jederzeit widerrufen.


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 

54 


7-8 / 2011

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- 


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 


7-8 / 2011

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) 


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57


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 


7-8 / 2011

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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59


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 


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. 


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 


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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 


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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- 


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 


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 


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 


kt 


definiert 


im nächsten 

Schritt 

unterstützte Rolle 


kt 


definiert 


im nächsten 

Schritt 

SystemUnitClass: 

MechatronicUnit 

InternalElement: 

Electrical Part 

RoleRequirement: 

„PropertySet/…/Size“ 

Gefordertes 

Merkmal 

SupportedRoleClass: 


Erfülltes 

Merkmal 

generisch …….. konkret 


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 


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 


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] 


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 


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. 


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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, 

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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 


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- 


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 


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 


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 


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 

ISO 26000 in der Praxis 

DER RATGEBER ZUM LEITFADEN FÜR SOZIALE 

VERANTWORTUNG UND NACHHALTIGKEIT 

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ERSCHEINUNG 

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Die ISO 26000 ist ein Leitfaden, der Orientierung gibt, wie sich Organisationen verhalten 

sollten, damit sie nach internationalem Verständnis als gesellschaftlich verantwortungsvoll 

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das Wirtschaftsleben im Zeitalter der Globalisierung. 

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durch Rücksendung der Sache widerrufen. Die Frist beginnt nach Erhalt dieser Belehrung in Textform. Zur Wahrung der Widerrufsfrist genügt die 

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Daten erfasst und gespeichert. Mit dieser Anforderung erkläre ich mich damit einverstanden, dass ich vom Oldenbourg Industrieverlag oder vom 

Vulkan-Verlag per Post, per Telefon, per Telefax, per E-Mail, nicht über interessante, fachspezifische Medien- und Informationsangebote 

informiert und beworben werde. Diese Erklärung kann ich mit Wirkung für die Zukunft jederzeit widerrufen. 

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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. 


10. Juni 2011 

Referenzen 


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

Bundes, Heft 11, Schuppenflechte. Statistisches Bundesamt, 

Robert Koch Institut. 2002 

[2] Niemann, K.-H., Schmerling, O.: Abschlussbericht für das 

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 

[3] Abe, S.: Support Vector Machines for Pattern Classification. 

Springer Verlag, London. 2010 

[4] Vogt, M.: Support Vector Machines for Identification and 

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 


7-8 / 2011

WISSEN für die ZUKUNFT 

Einzigartige Marktübersicht 

für PROFIBUS-Experten 

PROFIBUS 

Diagnose und Messungen 

Marktübersicht von Mess- und 

Diagnosegeräten für PROFIBUS DP/PA 

Dieses Anwenderhandbuch wendet sich an Errichter 

und Betreiber von PROFIBUS-basierten Automatisierungsanlagen, 

die eine Orientierung bei der Auswahl 

passender Mess- und Diagnosewerkzeuge benötigen. 

In diesem Werk werden Messgeräte beschrieben, die bei 

der Inbetriebnahme und Fehlersuche von PROFIBUS DP 

und PA-Netzwerken verwendet werden. Die am Markt 

erhältlichen Mess- und Diagnosegeräte werden in Klassen 

eingeteilt und in tabellarischer Form verglichen. Eine 

Kurzbeschreibung mit Abbildung für jedes Gerät ergänzt 

die Marktübersicht. Wegen der übersichtlichen Darstellung 

ist es einfach, detaillierte Informationen zu recherchieren 

und zu vergleichen, um das optimale Gerät auszuwählen. 

Sämtliche Messgeräte wurden eigens beschafft und 

eingehend getestet. 

Das Buch verschafft PROFIBUS-Anwendern einen einzigartigen 

Überblick, welche Messgerätetypen es gibt und 

wofür diese sinnvoll einzusetzen sind. 

K.-H. Niemann / T. Kröger 

1. Auflage 2010, 152 Seiten, Broschur, mit CD-ROM 

Fachbuch 

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Über 1.600 Seiten nützliche, 

ergänzende Inhalte (z. B. Montage-, 

Inbetriebnahme- und Planungsrichtlinien 

sowie Systembeschreibungen) 





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Die bequeme und sichere Bezahlung per Bankabbuchung wird mit einer 

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





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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- 

78 


7-8 / 2011

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 


7-8 / 2011 

79

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 

80 


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 


7-8 / 2011 

81

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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. 

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7–8/ 2011

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