atp edition Mensch-Roboter-Kooperation (Vorschau)
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7-8 / 2011
53. Jahrgang B3654
Oldenbourg Industrieverlag
Automatisierungstechnische Praxis
Vergleichende Bewertung
von Anlagenkonzepten | 30
Testen verteilter
Automatisierungssysteme | 38
Modellgestützte
Modernisierungsplanung | 46
Mensch-Roboter-Kooperation | 54
Beschreibung mechatronischer
Objekte durch Merkmale | 62
editorial
„Die Zukunft kommt –
ganz automatisch“
So lautet der Titel unserer Broschüre, die wir im Rande des Kongresses Automation
2011 in Baden-Baden erstmalig vorgestellt haben. Sie ist nicht gedacht
für Ingenieure der Automatisierungstechnik – auch nicht für Experten anderer
Fachrichtungen. Mit der Broschüre sprechen wir Menschen aus der „allgemeinen“
Öffentlichkeit an, um für sie ein positives Bild der Automation zu zeichnen
und den vielfältigen Nutzen für jeden von uns nachvollziehbar und allgemein
verständlich aufzuzeigen. Wir leisten damit einen weiteren Beitrag zu unserem
Thesenpapier „Automation 2020“, welches wir vor zwei Jahren veröffentlicht
haben. Unsere – unverändert gültigen – Thesen lauten:
1 | Automation leistet einen wesentlichen Beitrag zur Bewältigung
anstehender gesellschaftlicher Herausforderungen.
2 | Automation steht für „Technik mit dem Menschen für den Menschen“.
3 | Automation ist Leitdisziplin für die Entwicklung, Optimierung
und Anwendung neuer Produkte, Verfahren und Technologien.
Wir haben uns gefragt, an welchen Stellen im alltäglichen Leben Automation eine
wichtige Rolle spielt und beispielhaft erklärt werden kann. Wir alle sind es heute
gewohnt, mit Geräten und Automaten unterschiedlichster Art nahezu selbsverständlich
umzugehen. Wir erwarten geradezu, dass uns Arbeiten abgenommen
werden, dass wir uns sicher fühlen und an vielen Stellen unterstützt werden. Dies
beginnt im normalen Tagesablauf schon mit dem bequemen temperaturgeregelten
Duschen und dem frischen Kaffee aus der Kaffeemaschine. Im Auto auf dem Weg
zur Arbeit nehmen wir die vielen automatischen Funktionen kaum noch wahr:
Zündung, Automatikgetriebe, ABS, ESP, Überwachung des Toten Winkels, aktive
Geschwindigkeitsregelung und so fort. Beim Einfahren in die Tiefgarage erwarten
wir, dass unsere Parkkarte erkannt wird und dass sich die Schranke automatisch
für uns öffnet. Die hier genannten Beispiele sind ohne Automation undenkbar.
Wir alle als Leser der atp edition wissen das.
Wie aber vermitteln wir das unserem Nachbarn oder unserer Nachbarin? Die
Antwort lautet: Mit Beispielen. Mit Bildern. Mit einfachen, zur Zielgruppe passenden
Texten und Aussagen.
Unsere Ergebnisse finden Sie in der GMA-Broschüre „Die Zukunft kommt ganz
automatisch“ und auch unter www.ganz-automatisch.de. Gern können Sie Broschüren
bei der GMA-Geschäftsstelle unter gma@vdi.de bestellen.
Nutzen auch Sie die Publikation, beispielsweise im Bekannten- und Familienkreis,
in Schulklassen, bei öffentlichen Veranstaltungen. Letztlich hilft Ihnen
die Broschüre auch bei der Erklärung dessen, was Sie in Ihrem Berufsalltag
machen.
Nun aber darf ich Ihnen beim Studium der aktuellen atp-edition viel Freude
wünschen. Die Hauptbeiträge dieser Ausgabe entstammen fast alle dem diesjährigen
Kongress Automation 2011 – unserem jährlichen Netzwerk-Event für die
Anwender, Hersteller und Forschungseinrichtungen der Automation, das auch
in diesem Jahr ein voller Erfolg war. Ihnen allen, die daran beteiligt waren
danke ich herzlich und freue mich bereits heute auf unser nächstes Treffen am
13. und 14. Juni 2012.
Dr. Kurt D.
Bettenhausen
Vorsitzender der VDI/VDE-
Gesellschaft Mess- und
Automatisierungstechnik (GMA)
www.automatisierungskongress.de
atp edition
7-8 / 2011
3
Inhalt 7–8 / 2011
Forschung
06 | Nano-Magnetschalter bauen sich dank Trick
aus der Natur selbst zusammen
Wie ein ungelöstes Problem aus der Codierungstheorie
RFID-Chips sicherer macht
07 | Neue Steuerung ermöglicht Kombination aus Industrierobotern
und mobilem Laserscanner
Vom Internet der Dinge zum Internet der Dienste –
Fraunhofer schafft in München sichere Systeme
Verband
08 | VDI ehrt Fraunhofer-Chef Hans-Jörg Bullinger
VFAale wandelt sich um zum Trägerverein
09 | Fachverband für Sensorik wählt Vorstand wieder
IT-orientierte Hersteller engagieren sich immer stärker
im ZVEI-Fachverband Energietechnik
branche
10 | Mario Hoernicke und Andreas Wiesner erhielten den atp Award
für die besten Veröffentlichungen
Querschnittsthema funktionale Sicherheit:
VDE stellt Informationen gebündelt zur Verfügung
11 | Prozessleittechnik: Namur-Hauptsitzung stellt die Trends
und Herausforderungen der Zukunft vor
Cyril Perducat bleibt Vorstandschef der ODVA
12 | Wireless-Einsatzszenarien für Stellgeräte in der Prozessautomation
16 | Berührungslose Sensoren sparen Kosten und steigern
die Sicherheit der Kraftwerksteuerung
26 | IEC 61508: So entwickeln Anfänger normgerechte Komponenten
4
atp edition
7–8 / 2011
anche | Special industrial ethernet
20 | Parallel Redundancy Protocol und High Availability Seamless
Redundancy sichern doppelt ab
24 | Mit Ethernet auf dem Teppich geblieben:
Hersteller rüstet Färbelinie auf neue Technologie um
Hauptbeiträge | Automation 2011
30 | Vergleichende Bewertung von Anlagenkonzepten
Dr.-Ing. E. Roos
38 | Testen verteilter Automatisierungssysteme
E. Noak, S. JovalekiC, B. Rist
46 | Modellgestützte Modernisierungsplanung
M. Strube, A. Fay, S. Truchat, H. Figalist
54 | Mensch-Roboter-Kooperation
Dipl.-Ing. C. Thomas, Prof. Dr.-Ing. B. Kuhlenkötter,
Dipl.-Ing. F. Busch, Prof. Dr.-Ing. J. Deuse
62 | Beschreibung mechatronischer Objekte durch Merkmale
J. Prinz, A. Lüder, N. Suchold, R. Drath
70 | Synergien zwischen Medizin- und Automatisierungstechnik
K.-H. Niemann, O.Schmerling, F. Lüllau
Praxis
78 | Drahtlose Ortungssysteme maßgeschneidert:
mobile Betriebsmittel per RFID überwachen
80 | Sichere Verbindung in jeder Umgebung
rubriken
3 | Editorial
66 | Impressum, Vorschau
atp edition
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5
forschung
Nano-Magnetschalter bauen sich dank Trick
aus der Natur selbst zusammen
Die Arbeit mit riesigen Mengen magnetisch gespeicherter
Daten, etwa auf Festplatten, gehört zum Alltag.
Elektronische Bauteile mit hoher Empfindlichkeit
sind dafür die Basis.
Um die Datenkapazitäten zu erhöhen, sind noch kleinere
Bauteile notwendig. Teilweise gibt es für die Herstellung
dieser winzigen Teile jedoch keine Werkzeuge mehr.
Die Lösung: Man bringt die Einzelteile dazu, sich eigenständig
zu dem gewünschten Produkt zusammenzufügen.
Das Forscherteam um Professor Mario Ruben vom Institut
für Nanotechnologie (INT) am Karlsruher Institut für
Technologie (KIT) hat sich für die Produktion eines Nano-
Magnetschalters einen Trick bei der Natur abgeschaut: Die
Wissenschaftler brachten synthetische Haftgruppen so an
Magnetmoleküle an, dass diese von selbst an der richtigen
Position auf einer Nanoröhre andocken. In der Natur entsteht
in einem ähnlich selbst-organisierenden Prozess
beispielsweise ein grünes Blatt – ohne den Eingriff einer
übergeordneten Instanz.
Den Nano-Magnetschalter hat ein europäisches Team
aus Wissenschaftlern des Centre National de la Recherche
Scientifique (CNRS) in Grenoble und des Institut de Physique
et Chimie des Matériaux der Universität Straßburg
und des INT gemeinsam konstruiert. Der Schalte besteht
nicht aus konventionellen anorganischen Materialien wie
Silizium, Metallen oder Oxiden, sondern aus weichen
Materialien wie Kohlenstoffnanoröhren und Molekülen.
Magnetisch ist ein einzelnes Metallatom, Terbium, welches
in organisches Material eingebettet wird. Das Terbium
reagiert hochempfindlich auf externe Magnetfelder.
Die Information, wie dieses Atom sich entlang eines solchen
Magnetfeldes ausrichtet, wird sehr effektiv an den
durch die Nanoröhre fließenden Strom weitergegeben.
So gelang es der CNRS-Forschungsgruppe um Dr. Wolfgang
Wernsdorfer in Grenoble, den Magnetismus im Umfeld
des Nano-Schalters elektrisch auszulesen. Dies ermöglicht
prinzipiell den Zugang zu höheren Speicherdichten.
Es öffnet zugleich Tore zu wesentlich leistungsfähigeren
Methoden der Informationsverarbeitung,
beispielsweise in Quantencomputern. Das Konsortium
arbeitet nun darauf hin, die Arbeitstemperaturen des Bauteiles
in naher Zukunft von -272 weiter steigern zu können.
Die Nano-Magnetschalter, für die es
keine Werkzeuge mehr gibt, bauen sich selbst
zusammen. Terbium, ein einzelnes Metallatom.
Macht es möglich. Bild: KIT
Karlsruher Institut für Technologie (KIT),
Kaiserstraße 12,D-76131 Karlsruhe,
Tel. +49 (0) 721 60 80,
Internet: www.kit.edu
6
Wie ein ungelöstes Problem aus der
Codierungstheorie RFID-Chips sicherer macht
Die RFID-Technologie ist heute weit verbreitet, zu finden
in Funktüröffnern oder elektronischen Reisepässen.
Die Verschlüsselung der Daten und damit die Sicherheit
der Technologie war lange Zeit ein Problem. Auf dem
Chip fehlt der Raum für komplizierte kryptographische
Algorithmen, die die sensiblen Daten wirksam schützen.
Prof. Dr. Eike Kiltz, Leiter der Arbeitsgruppe „Foundations
and Applications of Cryptographic Theory and der
Ruhr-Universität Bochum, entwickelte mit einem internationalen
Forschungsteam ein sicheres Authentifizierungsverfahren.
Die Forscher griffen dabei auf ein bislang
ungelöstes Problem aus der Codierungstheorie zurück.
Selbst leistungsstarke Rechner bräuchten für die
Lösung wohl mehrere Milliarden Jahre.
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Ein Prototyp des Chips mit der neuen Verschlüsselungstechnik
entsteht nun am Lehrstuhl für eingebettete Sicherheit
der Ruhr-Universität Bochum. Die Methode soll eine
neue Generation RFID-Chips begründen. Der innovative
Ansatz könne ebenfalls bei kryptographischen Aufgaben
wie Verschlüsselungen weitere Anwendung finden.
Ruhr-Universität Bochum,
Fakultät für Mathematik
Arbeitsgruppe „Foundations and Applications of
Cryptographic Theory“,
Universitätsstr. 150, D-44780 Bochum,
Tel. +49 (0) 234 322 55 13,
Internet: www.ruhr-uni-bochum.de
Neue Steuerung ermöglicht Kombination aus
Industrierobotern und mobilem Laserscanner
Ein Werkstück wird mit Laser bearbeitet, das Rückenlehnen-Teil
eines Fahrersitzes. Langsam fährt der
massige Roboter die Schweißnaht entlang. Insgesamt 45
Sekunden dauert der Vorgang. Deutlich schneller geschieht
dies unter Einsatz des neuen Steuerungskonzeptes
LARISSA (Kurzform für: „LaserRobotik -Integration
von Scan- und Fokussiereinheiten als hochdynamische
System-Achsen“.
Wissenschaftler der Hochschule Aschaffenburg haben
gemeinsam mit den Projektpartnern Reis Robotics, Obernburg
und Raylase AG, Weßling eine entscheidende Verbesserung
im Bereich der Lasermaterialbearbeitung entwickelt.
Bei Larissa wird der Laserstrahl durch eine vom
Roboterarm mitgeführte Scannereinheit gezielt so abgelenkt,
dass der Roboter nur relativ langsame und glatte
Bewegungen ausführen muss und der Laserpunkt trotzdem
schnell und präzise der vorgegebenen Bearbeitungskontur
folgt. So lassen sich bei der Lasermaterialbearbeitung
mit Industrierobotern deutlich höhere Geschwindigkeiten
erzielen, ohne das Abstriche bei der Genauigkeit
hingenommen werden müssten.
Das Forschungsprojekt wurde von der Bayerischen
Forschungsstiftung mit 450.000 € gefördert. Von den Fördermitteln
flossen 200.000 € an die Hochschule Aschaffenburg,
welche die Projektleitung innehatte und die auf
einem Patent der Hochschule beruhenden grundlegenden
Steuerungsalgorithmen auf einem sogenannten Rapid
Control Prototyping System implementierte und
erprobte. Bei der Raylase AG wurde der Prototyp eines
neuen Scanners für den Einsatz an Robotern entwickelt.
Die Projektpartner (von links) Markus Lotz,
Wilfried Diwischek, Eberhard Kroth, Hartmut Bruhm
und Alexander Czinki sowie Erwin Wagner.
Bild: Hochschule Aschaffenburg.
Reis Robotics spezifizierte die Anforderungen an das zu
entwickelnde Gesamtsystem, konzipierte und integrierte
eigene Varianten der Steuerungsalgorithmen in die
Robotersteuerung und übernahm die anwendungsnahe
Erprobung. Die Firma arbeitet nun an der serientauglichen
Umsetzung des entwickelten Konzeptes in ihrer
industriellen Robotersteuerung.
Hochschule Aschaffenburg
Würzburger Strasse 45, D-63743 Aschaffenburg,
Tel. +49 (0) 6021 31 45, Internet: www.h-ab.de
Vom Internet der Dinge zum Internet der Dienste –
Fraunhofer schafft in München sichere Systeme
Die Münchner Projektgruppe Sicherheit
und Zuverlässigkeit des Fraunhofer SIT
(Institut für Sichere Informationstechnologie)
ist seit 1. Juli eine selbstständige Einrichtung
für Angewandte und Integrierte Sicherheit.
Claudia Eckert, langjährige Leiterin des
SIT in Darmstadt, wird die neue Einrichtung
im München führen. Mit ihrem Team baute
sie in den vergangenen zwei Jahren Forschungs-
und Entwicklungsbereiche auf.
Seit Juni 2010 wird Prof. Eckert von Prof.
Georg Sigl, der 18 Jahre Industrieerfahrung
im Design eingebetteter sicherer Systeme
mitbringt, unterstützt. „Mit Informatikern,
Elektrotechnik-Ingenieuren, Mathematikern
und Betriebswirten bieten wir ein passendes
Kompetenz- und Technologie-Profil für integrierte
Systemsicherheit“, betont Eckert. Die Einrichtung
kooperiert mit der TU München. An der Fakultät für
Informatik hat Prof. Eckert den Lehrstuhl für Sicherheit
in der Informatik inne. An der Fakultät für Elektrotechnik
und Informationstechnik baut Prof. Sigl den Lehrstuhl
für Sicherheit in der Informationstechnik auf.
Claudia Eckert
leitet das neue
Institut für Sicherheit
und Zuverlässigkeit
ab 1. Juli.
„Unsere Expertise in der integrierten Systemsicherheit
wird in Zukunft stark gefordert
und nachgefragt sein, wenn das Internet
der Dinge mit dem Internet der Dienste
zusammenwächst. Unternehmen, die bisher
mit weitgehend isoliert betriebenen Systemen
produziert haben, werden sich Cyber
Physical Systems öffnen und verstärkt Sicherheitsinfrastrukturen
aufbauen“, so
Eckert und Sigl. „Zwei Schwerpunkte sind
die Themen SmartGrid und SmartMobility
inklusive Automotive-Security und Elektromobilität“,
so Eckert. Die Test- und Demonstrationslabore
für Hardware-Sicherheit,
Netzwerksicherheit und Cloud-Sicherheit
werden kontinuierlich erweitert.
Fraunhofer-Gesellschaft
zur Förderung der angewandten Forschung e.V.,
Hansastraße 27c,
D-80686 München,
Tel. +49 (0) 89 120 50,
Internet: www.fraunhofer.de
atp edition
7-8 / 2011
7
verband
VDI ehrt Fraunhofer-Chef Hans-Jörg Bullinger
Die höchste Auszeichnung, die der Verein Deutscher
Ingenieure zu vergeben hat, erhielt kürzlich Prof. Dr.-
Ing. Hans-Jörg Bullinger. Der VDI verlieh dem Präsidenten
der Fraunhofer-Gesellschaft die Grashof-Denkmünze.
VDI-Präsident Prof. Dr.-Ing. Bruno O. Braun überreichte
die in Gold geprägte Münze, die an den Mitbegründer und
ersten Direktor des VDI Prof. Franz Grashof erinnert, beim
25. Deutschen Ingenieurtag.
Braun würdigte Bullingers langjährige, herausragende
Arbeit und seine Verdienste für das Ingenieurwesen. Er
habe als Wissenschaftler, Hochschullehrer und Ideenmanager
stets einen ganzheitlichen Ansatz bei der Behandlung
von Problemen gefunden, begründete der VDI
die Ehrung. Kennzeichen der Forschung von Prof. Hans-
Jörg Bullinger sei die konsequente Ausrichtung auf den
„Menschen als Maß der Technik“.
Bei allen Bestrebungen, die Wettbewerbsfähigkeit der
deutschen Wirtschaft zu steigern, habe er frühzeitig die
Bedeutung der menschengerechten Arbeitsgestaltung erkannt
und setzte seine Forschungsergebnisse in die Praxis
um. Damit habe er einen erheblichen Beitrag zur Verbesserung
der Arbeitsqualität in Deutschland geleistet.
Als Vordenker und Initiator künftiger gesellschaftlicher
Entwicklungen habe er unter anderem die öffentliche
Diskussion über die Entwicklung der Industriegesellschaft
hin zur Dienstleistungsgesellschaft entscheidend
mitgeprägt. Als Brückenbauer zwischen Wissenschaft
und Wirtschaft habe Bullinger in seiner Zeit als
Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts für Arbeitswirtschaft
und Organisation IAO eine der führenden Institutionen
für technische und prozessuale Innovationen
in Europa aufgebaut.
Sein Wirken als Fraunhofer-Präsident seit 2002 stehe
im Zeichen der Vernetzung von Forschung mit Industrie
und Politik. Gleichzeitig sehe er die Verantwortung für
den Standort Deutschland und stoße immer wieder Aktivitäten
an, um die Innovationsfähigkeit zu stärken und
das Innovationstempo zu steigern.
FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT
ZUR FÖRDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V.,
Hansastraße 27 c, D-80686 München,
Tel. +49 (0) 89 120 50,
Internet: www.fraunhofer.de
Aus der Hand
von VDI-Chef Prof.
Bruno O. Braun (rechts)
erhielt Prof. Hans-Jörg
Bullinger die Grashof-
Denkmünze des
Ingenieurverbands.
Bild: Fraunhofer.
VFAale wandelt sich um zum Trägerverein
Damit er künftig auch als Partner bei automatisierungstechnischen
Events auftreten kann, soll aus dem Verein
der Freunde und Föderer der Aale (VFAale) der Trägerverein
der Aale werden. Das hat der Aale-Beirat auf seiner jüngsten
Sitzung entschieden. Beschlossen werden soll die Satzungsänderung
von der nächsten Mitgliederversamlung des
FVAale. Ab 2012 wird zudem das Aale-Kolloquium umbenannt
in „Konferenz für angewandte Automatisierungstechnik
in Lehre und Entwicklung“. Diese Entscheidung
trafen Aale-Beirat und der Vorstand des Fördervereins, da
sich die Veranstaltung hinsichtlich Teilnehmerzahl und
Qualität der Beiträge in den vergangenen Jahren zu einer
Fachkonferenz entwickelt habe, was sich nun auch im Na-
men widerspiegeln soll. Sie wird zum nächsten Mal am 3.
und 4. Mai 2012 an der Fachhochschule Aachen stattfinden.
Dort wird wieder der Aale Student Award verliehen.
Alle Beiträge werden in einem Tagungsand veröffentlicht,
den der Oldenbourg Industrieverlag herausgeben wird.
VEREIN DER FREUNDE UND FÖRDERER DER
ANGEWANDTEN AUTOMATISIERUNGSTECHNIK
AN FACHHOCHSCHULEN (VFAALE E.V.),
c/o Fachhochschule Düsseldorf,
Fachbereich Elektrotechnik,
Josef-Gockeln-Str. 9, D-40474 Düsseldorf,
Tel. +49 (0) 211 435 13 08, Internet: www.vfaale.de
8
atp edition
7-8 / 2011
Fachverband für Sensorik wählt Vorstand wieder
Der alte und
gleichzeitig auch
neue AMA-Vorstand
(v. l. n. r.):
Prof. Dr. Andreas
Schütze, Peter
Krause, Wolfgang
Wiedemann; Johannes
W. Steinebach
und Peter Scholz.
Bild: AMA/Manfred Gillert
Die Mitglieder des AMA Fachverbands für Sensorik haben
den kompletten Verbandsvorstand im Amt bestätigt.
Den Vorstandsvorsitz führt für weitere zwei Jahre
Wolfgang Wiedemann, STW Sensor-Technik Wiedemann
GmbH. Sein Stellvertreter bleibt Peter Krause, First Sensor
Technology GmbH. Johannes W. Steinebach, TWK-Elektronik
GmbH, amtiert als Schatzmeister und Peter Scholz,
Additive Soft- und Hardware GmbH, füllt für weitere zwei
Jahre das Amt des Schriftführers aus. Ebenfalls im Amt
bestätigt wurde Prof. Dr. Andreas Schütze, Universität des
Saarlandes, der als Vorsitzender des Wissenschaftsrates
dem AMA-Vorstand als Beisitzer angehört.
Der AMA Fachverband für Sensorik wurde 1981 als
Arbeitsgemeinschaft Messwertaufnehmer gegründet und
zählt heute auf die Branchenkompetenz von 460 Mitgliedern
aus Industrie und Wissenschaft. Vertreten sind dort
85 Prozent Industrie- und 15 Prozent Institutsmitglieder.
Etwa 2 300 Unternehmen der Sensor- und Messtechnik
erwirtschaften mit 250 000 Beschäftigten einen Umsatz
von zirka 35 Milliarden Euro.
AMA FACHVERBAND FÜR SENSORIK E.V.
Sophie-Charlotten-Str. 15, D-14059 Berlin,
Tel. +49 (0) 30 221 90 36 20, www.ama-sensorik.de
IT-orientierte Hersteller engagieren sich immer
stärker im ZVEI-Fachverband Energietechnik
Der ZVEI – Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie
hat einen neuen Vorstand für die
nächsten drei Jahre gewählt. Neu in dem 37-köpfigen
Führungsgremium sind sieben Mitglieder: Uwe Bartmann
(Siemens), Dr. Wolfgang Bochtler (Mektec), Peter
Gresch (Brose Fahrzeugteile), Ute Poerschke (Elschukom),
Dr. Martin U. Schefter (Eaton Industries Holding),
Dr. Marc Schweizer (Schweizer Electronic) und Hans
Wienands (Samsung Electronics). Die Wahl des Präsidiums
durch die Vorstandsmitglieder steht noch aus.
Neue Mitglieder hat auch der Vorstand des ZVEI-
Fachverbands Energietechnik. Zu den neuen Vorstandsmitgliedern
gehören Rada Rodriguez (Schneider Electric),
Dr. Bernd Engel (SMA Solar Technology), Dr. Harald
Schrimpf (PSI AG) und Dr. Martin Schumacher
(ABB). Im Amt bestätigt wurden Herbert Brunner (Landis
+ Gyr), Ralf Christian (Siemens AG, Energy Sector),
Dieter Nieveler (Starkstrom-Gerätebau) und Dr. Wolfgang
Voß (Alstom Grid). Ralf Christian, CEO der Power
Distribution Division bei der Siemens AG, wurde zum
neuen Vorstandsvorsitzenden gewählt. Er löst Dr. Joachim
Schneider (ehemals ABB) ab, der Gründungsmitglied
des Fachverbands Energietechnik war und jetzt
aus Altersgründen ausscheidet. Als stellvertretende
Vorstandsvorsitzende wurden Herbert Brunner und Dr.
Martin Schumacher gewählt.
Der Vorstandsvorsitzende nannte als seine Hauptaufgabe,
die beschleunigten Veränderungen in der bundesdeutschen
Energieerzeugung hin zu erneuerbaren Energien
und zum nachhaltigen Netzum-/ausbau zu begleiten
und die Expertise des ZVEI der Politik zur Verfügung
zu stellen. Es gebe einen Schub für Innovationen
in der Energietechnik (HGÜ, Smart Grid, Lastmanagement,
Elektromobilität, kommunikationsfähige Stromzähler)
und neue, erfolgreiche Hersteller und Dienstleister
im Energietechnikumfeld, sagte Christian. Eine
neue Entwicklung sei, dass zunehmend IT-orientierte
Hersteller im Fachverband Energietechnik aktiv mitarbeiteten.
„Wir sehen insgesamt günstige Geschäftsaussichten
für innovative Produkte in den nächsten Jahren“,
betonte Christian.
ZVEI - ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK- UND
ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V.,
Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main,
Tel. +49 (0) 69 630 20, Internet: www.zvei.org
atp edition
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9
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-
atp edition
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Ingo Rolle,
„Die funktionale
Sicherheit zu
gewährleisten,
ist ein enorme
Herausforderung.“
Bild: VDE
gen, sprechen wir von funktionaler Sicherheit“,
erklärt VDE-Normungsexperte Ingo
Rolle. Die Grundsätze für die Auslegung sicherheitsgerichteter
Steuerungen finden sich
in der Norm IEC 61508, in Deutschland übernommen
als DIN EN 61508 (VDE 0803). Für
die Industrie spielt die funktionale Sicherheit
eine immer wichtigere Rolle, weil in den Anwendungen
entsprechende Sicherheitsfunktionen
realisiert werden müssen und dazu in
Halbleiter- und Automobilindustrie, Automation
oder IT die komplexen Technologien
verknüpft werden müssen. „Für die Hersteller
stellt es eine enorme Herausforderung dar,
die funktionale Sicherheit mithilfe ihrer
hochentwickelten Produkte, Systeme und
Prozesse zu gewährleisten“, betont Rolle.
VDE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK
INFORMATIONSTECHNIK E.V.,
Stresemannallee 15, D-60596 Frankfurt am Main,
Tel. +49 (0) 69 630 80, Internet: www.vde.com
Prozessleittechnik: Namur-Hauptsitzung stellt die
Trends und Herausforderungen der Zukunft vor
Die Prozessleittechnik hat sich in den vergangenen Jahrzehnten
permanent weiterentwickelt und ist dabei zu
einem unverzichtbaren Faktor der Wertschöpfung in der
Produktion der Prozessindustrie geworden. Sie wird sich
auch in Zukunft fortentwickeln, zum einen, weil die technologische
Entwicklung bei Prozessleitsystemen, bei Sensoren
und Aktoren neue Anwendungen ermöglichen
wird, zum anderen, weil die sich abzeichnenden Entwicklungen
in der Verfahrenstechnik diese erfordern werden.
Die Namur hat sich für ihre 74. Hauptsitzung am 10./11.
November in Bad Neuenahr vorgenommen, einen Blick in
die Zukunft der Prozessleittechnik zu werfen. Als Partner
für die Hauptsitzung konnte die Namur die Firma ABB
gewinnen. Welche Möglichkeiten die Prozessleittechnik
der Gegenwart bietet und welche Richtung die Entwicklung
in naher Zukunft aus Sicht von ABB nehmen kann,
wird der Vorstandsvorsitzende der deutschen ABB AG, Dr.
Peter Terwiesch, in seinem Plenarvortrag erläutern.
Doch die Automatisierung verfahrenstechnischer Anlagen
als zweifelsohne zentraler Bestandteil der Leittechnik
ist nur ein Aspekt, den die Betreiber und Ausrüster derartiger
Anlagen zu betrachten haben. Die Herausforderungen
unter Berücksichtigung von Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen,
Effizienzsteigerungen, des globalen Wettbewerbs,
aber verstärkt auch umweltrelevanter Faktoren verlangen
eine ganzheitliche Betrachtung, die bei der Planung einer
leittechnischen Anlage beginnt und erst nach vielen Jahren
mit der Außerbetriebnahme einer Produktionsanlage endet.
Ein entsprechendes Life-Cycle-Management inklusive
Indexierung, Migrations- und Evolutionsstrategien sorgt
dafür, dass die leittechnische Ausrüstung einer Prozessanlage
zuverlässig, zukunftssicher und einfach bedienbar
bleibt, während sie gleichzeitig vom technischen Fortschritt
in der Informations- und Kommunikationstechnik
profitiert. „Für ABB ist die Veranstaltung eine hervorragende
Gelegenheit, über zwei Tage hinweg mit den Anwendern
die aktuellen Möglichkeiten der modernen Prozess-
leittechnik und über Trends und Zukunftsperspektiven zu
diskutieren“, freut sich Rüdiger Jung, Leiter der deutschen
ABB-Geschäftseinheit Chemie, Öl & Gas. „Das hilft uns,
die Bedürfnisse des Marktes aufzunehmen und diese in
unseren Produkten und Systemen umzusetzen“.
Die Namur wird in Ko-Referaten in der Plenarsitzung
am Donnerstag den Standpunkt der Anwender mit Vorträgen
zu Themenbereichen wie „Leitsysteme als Produktionsfaktor“
und der „Akzeptanz von gehobenen Regelungsstrategien
in der Anwendung“ darlegen. Zudem wird
in dieser Sitzung über die Ergebnisse einer Umfrage unter
Herstellern und Anwendern von Leitsystemen berichtet.
Dr. Peter Terwiesch,
Vorstandschef von ABB Deutschland,
wird bei der Namur-Hauptsitzung
erläutern, welche Möglichkeiten
die Prozessleittechnik der Gegenwart
bietet und welche Richtung
die Entwicklung in naher Zukunft
nehmen kann. Bild: ABB
Ein weiterer Themenschwerpunkt ist die FDI-Technologie,
die kurz vor der Marktreife steht. Mit ihrer Hilfe
wird die langjährige Anwenderforderung erfüllt, mit möglichst
geringem Aufwand Instrumentierung und Leitsysteme
unterschiedlicher Hersteller beliebig zu kombinieren.
Mit anderen führenden Leittechnik-Ausrüstern hat
ABB federführend einen Standard für die notwendigen
Engineering-Werkzeuge erarbeitet und zeigt in der begleitenden
Ausstellung erstmalig ein Funktionsmodell, welches
die Interoperabilität demonstriert.
NAMUR – GESCHÄFTSSTELLE,
c/o Bayer Technology Services GmbH,
Gebäude K 9, D-51368 Leverkusen,
Tel. +49 (0) 214 307 10 34, Internet: www.Namur.de
Cyril Perducat bleibt Vorstandschef der ODVA
ODVA, die Organisation, zur Unterstützung von Netzwerktechnologien
auf Basis von Common Industrial Protocol
(CIP) – DeviceNet, EtherNet/IP, CompoNet und ControlNet,
hat den Vorstand neu bestimmt. Bei der Mitgliederversammlung
in Litchfield Park (USA) wurden wiedergewählt: Cyril
Perducat (Senior Vice President for Plant Solutions and System
Consistency, Schneider Electric), Frank Kulaszewicz
(Senior Vice President for Architecture and Software, Rockwell
Automation), Michael Höing (Vice President for Electronics
Business, Weidmüller Interface), Chet Namboodri
(Global Director for Manufacturing for Industry Solutions
and Marketing, Cisco Systems), Ryuji Yamasaki (General
Manager for Drives Development, Industrial Automation
Business, Omron. Neu im Vorstand ist Bernd-Josef Schäfer,
Executive Vice President for Engineering and Manufacturing
(Electric Drives and Controls) bei Bosch Rexroth.
Der ODVA-Vorstand ernannte Cyril Perducat erneut
zum Vorstandsvorsitzenden, Frank Kulaszewicz zum
Schatzmeister sowie Richard Harwell von Eaton Electrical
zum technischen Direktor (CTO). Außerdem
wurde die langjährige ODVA-Mitarbeiterin, Katherine
Voss erneut zum Executive Director ernannt.
Als CTO ist Harwell Vorstand des Technical Review
Boards (TRB), das sich aus Vertretern von ODVA-Mitgliedern
zusammensetzt und für die technischen Standards
der Netzwerke zuständig ist. Das TRB der ODVA
setzt sich nun aus den bisherigen Mitgliedern David
VanGompel von Rockwell Automation, Jeff Jurs von Omron,
Paul Didier von Cisco Systems, Rudy Belliardi von
Schneider Electric und Damien Leterrier von Molex zusammen.
Ludwig Leurs von Bosch Rexroth und Joakim
Wiberg von HMS Industrial Networks stoßen neu hinzu.
ODVA,
Ann Arbor, Michigan USA, Tel. +1 734 975 88 40
Internet: www.odva.org
atp edition
7-8 / 2011
11
anche
Wireless-Einsatzszenarien für Stellgeräte
in der Prozessautomation
Welche Infrastruktur lohnt sich und ist technisch möglich?
Die Anforderungen an die wireless-Technolgie für den
Einsatz im verfahrenstechnischen Umfeld weichen
in wesentlichen Punkten von denen im privaten oder
Bürobereich ab. Mittlerweile stehen mit Wireless Hart,
ISA SP100, ZigBee und anderen Lösungen auch für den
Einsatz im industriellen Umfeld verschiedene Funkstandards
zur Verfügung, und erste Feldversuche haben gezeigt,
dass das Übertragungsmedium „Luft“ hier durchaus
geeignet ist, wenn entsprechende Randbedingungen
eingehalten werden [1] [6]. Doch unter welchen Voraussetzungen
ist hier eine drahtlose Infrastruktur technisch
und wirtschaftlich sinnvoll, und welche Geräte lassen
sich überhaupt wirklich drahtlos betreiben?
1. Wireless in der Prozessautomation sinnvoll
einsetzen
Die Installation eines drahtlosen Übertragungssystems
macht dort Sinn, wo keine geeignete andere Kommunikationsinfrastruktur
bereits zur Verfügung steht oder
mit vertretbarem Aufwand hergestellt werden kann.
Oft wird als Szenario für den Einsatz von Wireless
Hart das Nachrüsten von Hart über Wireless Adapter
genannt, um in Verbindung mit nicht Hart-fähigen Systemen
einen temporären oder permanenten Zugriff auf
die Feldgeräte über Engineering Tools oder Asset Management
Systeme zu ermöglichen. Hier sollte zuvor
betrachtet werden, ob nicht die Nachrüstung von Hart-
Multiplexern die technisch oder wirtschaftlich bessere
oder einfachere Lösung darstellt. Versuche zeigten, dass
die verfügbaren Wireless-Hart-Komponenten keine bessere
Performance bezüglich der Netto-(Nutzdaten-) Übertragungsrate
bieten als die am Markt verfügbaren Multiplexerlösungen
(bei gleichem Mengengerüst).
Beim Überbrücken großer Distanzen oder Hindernisse
wie beispielsweise Wasser- oder Schienenwege kann der
Einsatz von Funktechnik wirtschaftlich sinnvoll sein.
Hier kommen keine Mesh-Netzwerke wie etwa Wireless
Hart zum Einsatz, sondern besser WLAN-Richtfunkstrecken.
Der Einsatz drahtloser Übertragung sollte dann
erwogen werden, wenn Teile der Installation auf beweglichem
oder rotierendem Equipment angeordnet sind. Hier
ist zu prüfen, ob die Anzahl und Topologie der anzubindenden
Prozess- oder Steuersignale den Einsatz eines
komplexen standardisierten Netzwerks rechtfertigt. Gerade
wenn nur einzelne dieser Signale „beweglich“ angeordnet
sind, kann es sinnvoll sein, das Mess- oder Stellgerät
aufzuteilen in einen ortsfesten und einen nicht ortsfesten
Teil. Der nicht ortsfeste Teil beinhaltet die eigentliche
Messung oder den Aktor. Über eine geeignete nicht
drahtgebundene Verbindung wird das Mess- oder Steuersignal
an den ortsfesten Teil des Geräts übertragen. Dieser
wird dann über die in der Anlage genutzte Infrastruktur
(4-20 mA, Hart, Feldbus) standardisiert in das Leit- oder
Asset Management System eingebunden.
2. Anforderungen der Aktorik
Stellgeräte als komplexe Feldgeräte erfüllen neben ihrer
Hauptaufgabe, dem Verändern von Stoffströmen, zunehmend
Diagnose- und Asset Management-Funktionen [3]
[5]. Damit wird gerade ihre Einbindung in die Leit- und
Asset-Management-Systeme zur zentralen Herausforderungen
hin zur durchgängigen Informationsarchitektur
[2] [4]. Sollen Geräteeinstellung, Diagnose- und Asset
Management Daten drahtlos übertragen werden und soll
der Stellwert des Aktor über die Funkverbindung übermittelt
werden, stellen Stellgeräte hohe Anforderungen
an die Sicherheit und Verfügbarkeit der Übertragungsstrecke.
Im Gegensatz zu Messgeräten haben Stellgeräte
einen permanenten Eingriff in den Prozess und benötigen
permanent Energie, um einen bestimmten Ausgangszustand
(zum Beispiel die Ventilstellung) aufrecht
zu erhalten. Daher stellen sie andere Anforderungen an
die Energieversorgung als etwa eine drahtlose Temperaturmessung,
die nur einmal innerhalb mehrerer Minuten
einen Messwert liefern muss.
3. Einsatzszenarien für Aktoren
Grundsätzlich sind für den Einsatz von Stellgeräten in
drahtlosen Netzwerken drei verschiedene Szenarien
denkbar. Sie unterscheiden sich im Wesentlichen durch
die Art der übertragenen Informationen und die Art der
Versorgung mit elektrischer Hilfsenergie.
3.1 Wireless Konfiguration und Diagnose im Feld
Das Stellgerät ist über einen im Wireless Adapter oder
eine im Stellungsregler integrierte Funkanschaltung an
das Funknetz angebunden. Der Stellungsregler sowie die
Funkanschaltung werden über die Stromschleife mit
mindestens 4 mA versorgt Der Prozesswert (der Sollwert
der Ventilstellung) wird ebenfalls über die Stromschleife
übertragen (Bild 1). Die elektrische Energieversorgung
des Stellungsreglers und der Funkanschaltung erfolgen
aus der Stromschleife. Für jedes Gerät ist eine Leitung
erforderlich. Das Funknetzwerk bietet den temporären
oder permanenten Zugriff für das Engineering Tool oder
Asset-Management-System.
3.2 Wireless Control
Die elektrische Energieversorgung des Stellgeräts mit
Stellungsregler mit integriertem Funkmodul erfolgt
“Field Powered” aus einer zentralen Versorgung (Bild 2).
„Eine“ Leitung versorgt so alle Geräte mit elektrischer
Hilfsenergie. Der Prozesswert (der Sollwert der Ventilstellung)
wird ebenso wie die Engineering- und Diagnoseinformationen
über das Funknetzwerk übertragen. Die
Übertragung des Ventilsollwerts stellt besondere Anforderungen
an das verwendete Funknetzwerk. In der Regel
sind bei Closed Loop Anwendungen Updateraten von 1
Sekunde oder kürzer erforderlich. Dies schränkt die Verwendung
von Wireless Hart auf Open-Loop-Anwendungen
mit deutlich langsameren Updateraten ein.
3.3 “Real” Wireless Control
Im nächsten Schritt wird elektrische Hilfsenergie entweder
aus einer Batterie entnommen oder zum Beispeil
aus der pneumatischen Hilfsenergieversorgung erzeugt.
12
atp edition
7-8 / 2011
Zugriff auf die diagnoseinformationen
Zentral über Asset Management System
des Betreibers über Gateway
Lokal über Maintenance Tools
(z.B. Notebook mit Adapter)
Mobil über PDA oder Hand Held
Bild 1:
„Wireless Engineering“
mit „Wired Control
& Energy“
4 ... 20 mA
Zentrale
Versorgung
z.B. 24V
Mögliche Energieversorgung für
„Wireless“ Stellugsregler
„Field Powered“ aus zentraler Versorgung
z.B. 24V DC
Elektrische Energieversorgung des Stellungsreglers
und der Wireless Anschaltung aus der
zentralen Versorgung
„Eine“ Leitung versorgt alle Geräte
Prozesswert über Wireless
Bild 2:
„Wireless Control“
mit „Wired Energy“
Zentrale
Versorgung
z.B. 24V
Auch andere Arten von „Energy Harvesting“ sind denkbar.
Diese elektrische Energie versorgt sowohl den Stellungsregler
als auch die Wireless-Anschaltung. Eine
Verkabelung im Feld ist nicht notwendig (Bild 3). Der
Prozesswert (der Sollwert der Ventilstellung) wird ebenso
wie die Engineering- und Diagnoseinformationen über
das Funknetzwerk übertragen. Bezüglich der Updateraten
gelten die gleichen Randbedingungen wie unter 3.2.
4. Einordnung der Einsatzszenarien für Aktoren
Das unter 3.1. beschriebene Szenario ist mit den heutigen
Standards umsetzbar. Allerdings macht es nur Sinn,
wenn die Kommunikation zu den Feldgeräten (etwa
durch Nachrüstung von Hart-Multiplexern) aus technischen
oder räumlichen Gründen nicht realisierbar ist
oder mehr Aufwand bedeutet. Es werden nur Zusatzinformationen
über Funk übertragen. Das Prozesssignal
vermittelt weiterhin die Stromschleife. Es ist somit von
einem Ausfall der Funkverbindung nicht betroffen.
Bei dem unter 3.2. beschriebenen Szenario handelt es
sich um das klassische 4-Leiter-Prinzip, die Energieversorgung
erfolgt über eine Standard-Versorgung, lediglich
das Signalkabel wird durch das Funknetzwerk ersetzt.
Es werden Prozess- und Zusatzinformationen drahtlos
übertragen. Hier stellt sich die Frage, ob diese Lösung
wirtschaftlich ist oder nicht der Einsatz eines Feldbusses
vorzuziehen ist.
Bei dem Szenario unter 3.3. schließlich entfällt die
drahtgebundene Energieversorgung. Die Versorgung mit
elektrischer Energie obliegt der jeweiligen Messstelle.
Prozess- als auch Zusatzinformationen werden drahtlos
übertragen.
Die Szenarien unter 3.2. und 3.3. sind kombinierbar,
sie unterscheiden sich in der Art der Energieversorgung.
Bezüglich der Sicherheit und Verfügbarkeit der Übertragungsstrecke
als auch der Update-Raten stellen sie jedoch
ganz andere Anforderungen an die eingesetzte
Funktechnologie als das erste Szenario. So sind Update-
atp edition
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anche
mögliche energieversorgung für
„Wireless“ Stellungsregler
Batterie oder „Energy Harvesting“
Elektrische Energieversorgung des Stellungsreglers
und der Wireless Anschaltung aus der
lokalen Erzeugung
Keine Verkabelung im Feld notendig
Prozesswert über Wireless
Zentrale
Versorgung
z.B. 24V
Bild 3: „Real Wireless Control“ ohne Kabel
Bild 4: Faceplate eines Stellungsreglers,
Anzeige von zusätzlichen
Messwerten und dem NAMUR Status
im PLS über Wireless HART
Zyklen der Mess- und Stellwerte im Sekundenbereich
oder kürzer gefordert, die von den zurzeit verfügbaren
Standards nur schwer oder gar nicht erreichbar sind. Die
Verfügbarkeit des Netzwerks unter Einfluss von sich ändernden
Strukturen (Fahrzeuge, Gerüste) oder nicht eingeplanten
Störsendern muss anders bewertet werden.
5. Anwendernutzen durch Zugang zu
zusätzlichen Geräteinformationen
Moderne smarte Stellungsregler bieten viele erweitertete
Diagnose- und Überwachungsfunktionen [3]. In vielen
Fällen ist der Zugriff auf diese Möglichkeiten ist über
das vorhandene Leitsystem nicht möglich. Es muss dann
unter hohem Aufwand lokal auf die Geräte zugegriffen
und die Daten im wahrsten Sinne des Wortes „eingesammelt“
werden. Eine drahtlose Infrastruktur (3.1) bietet
einen Ausweg, diese Daten und Funktionen einem Asset-
Management-System durchgängig zur Verfügung zu stellen,
ohne das bestehende System zu verändern.
Die entstehenden Möglichkeiten reichen von aktuellen
Informationen über Zustand und Performance eines gesamten
Stellgeräts bis hin zur anlagenweiten Auswertung
der Zustandsinformationen der Stellgeräte. In einer
anlagenweiten Datenbank werden diese Zustandsinformationen
zugeordnet zu den Messstellen gesammelt, um
über geeignete Analyse- und Reporting-Funktionen noch
weitergehende Aussagen über den Zustand und die Performance
der Stellgeräte und damit auch über die Anlage
selbst zu erhalten.
Stellungsregler bieten die Möglichkeit, unter Nutzung
eines patentierten Verfahrens auf Basis intern gemessener
Signale den Differenzdruck am Ventil zu ermitteln.
In Kombination mit weiteren Informationen zum Stellgerät
(unter anderem Ventilkennlinie) ermöglichen die
Stellungsregler die gute Abschätzung des Durchfluss
durch das Ventil direkt im Stellungsregler. Entweder
leitungsgebunden oder über eine drahtlose Kommunikationsverbindung
kann dieser Durchflusswert sowie
weitere Prozess- und Statusinformationen direkt zyklisch
an das System übermittelt werden. Mit geringem
Aufwand wird eine zusätzliche Messgröße aus dem Prozess
gewonnen. Diese kann zur Optimierung der Anlagenfahrweise
herangezogen werden (Bild 4).
6. Zusammenfassung
Die Entscheidung, drahtlose Kommunikationstechnologien
in der Prozessautomation einzusetzen, muss im
Einzelfall entschieden werden. Sie macht nur dort Sinn,
wo sich ein wirtschaftlicher Vorteil daraus ergibt. In
vielen Fällen mag das auf einzelne Bereiche einer Installation
zutreffen, aber sicher nicht den flächendeckenden
Einsatz in einer gesamten Anlage rechtfertigen.
Der durchgängige Zugang zu erweiterten Funktionen
von Feldgeräten wie den unter 5 beschriebenen smarten
Stellgeräten kann in vielen Fällen einen solchen Vorteil
darstellen.
So werden sich sicher hybride Strukturen ausbilden,
wie auch heute schon im „drahtgebundenen“ Bereich
einer Anlage in den verschiedenen Bereichen unterschiedliche
Übertragungsmedien eingesetzt werden.
Entscheidend ist nicht eine durchgehende Übertragungsphysik,
sondern der durchgängige Informationsfluss hin
zur durchgängigen Informationsarchitektur.
14
atp edition
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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,
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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).
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anche
Berührungslose Sensoren sparen Kosten und
steigern die Sicherheit der Kraftwerksteuerung
Magnetostriktive Messtechnik registriert robust und zuverlässig Ventilstellungen
m ägyptischen Dampfkraftwerk Shoubra El Kheima erfassen
nach einer Modernisierurng magnetostriktive
I
Temposonics Positionssensoren von MTS die Stellung
der Umleit- und Einspritzventile. Ihre robuste Wegmessung
und die komfortable Programmierung mit einem
Einbau-Programmer führen zu einer deutlichen Zeitund
Kostenersparnis. Für alle 28 Sensoren an den Umleit-
und Einspritzventilen bedeutet das fast 12 Stunden
weniger Aufwand. Auch bei der Inbetriebnahme der
einzelnen Kraftwerksblöcke nach der Modernisierung
konnte durch die komfortable Programmierung sehr viel
Zeit eingespart werden.
Zuverlässigkeit und hohe Verfügbarkeit spielten eine
große Rolle, als der Energiebereich der Siemens AG im
Jahr 2005 den Auftrag erhielt, die Leittechnik im
Dampfkraftwerk Shoubra El-Kheima in Kairo zu modernisieren.
Das Wärmekraftwerk erzeugt eine Leistung
von insgesamt 1260 MW aufgeteilt auf vier Blöcke mit
je 315 MW. Für die Positionsmessung an den verschiedenen
Ventilen wählte Siemens magnetostriktive Temposonics-Positionssensoren
von MTS aus.
Im Kraftwerk Shoubra El-Kheima sitzen an jedem
Kraftwerksblock ein Hochdruck- und zwei Niederdruck-
Umleitventile, die im Normalbetrieb der Dampfturbine
geschlossen sind. Bei Turbinenschnellschluss – etwa bei
einer Netzstörung – kann die Turbine den erzeugten
Dampf nicht mehr übernehmen. In diesem Fall wird der
Dampf über das Bypasssystem in den Zwischenüberhitzer
beziehungsweise bis in den Kondensator umgeleitet.
Die Einlass- und Abfangventile vor den Turbinen fahren
innerhalb von 200 ms zu, und die Umleitventile öffnen
sich, um den überschüssigen Dampf in den Kondensator
umzuleiten und Turbinenschäden durch Überdrehzahl
zu vermeiden.
BYPASSSYSTEM SCHONT DIE ANLAGEN
Im laufenden Betrieb erfasst ein Druckgeber den Druck
im Kessel als Eingangsgröße für den Stellungsregelkreis
des Hochdruck-Umleitventils. Entsprechend der Abweichung
dieses Signals vom Sollwert bei Turbinenschnellschluss
öffnet sich das Hochdruck-Umleitventil und
regelt den Kesseldruck. Die Niederdruck-Umleitventile
regulieren den Druck im Zwischenüberhitzer-System.
Neben der Dampfabführung bei Turbinenschnellschluss
ist eine Hauptaufgabe des Bypasssystems, beim
Anfahren des Kessels den Dampf so lange umzuleiten,
bis er sauber genug ist, um in die Turbine zu strömen.
Auch spannungsbedingte Risse, die während des Anfahrvorgangs
durch hohe Temperaturunterschiede zwischen
dem äußeren und inneren Bereich der Turbine
entstehen, werden so vermieden.
Hinter dem Hochdruck-Umleitventil befinden sich
zwei Ventile für die Wassereinspritzung. Das erste Ventil
führt eine Druckreduzierung des Speisewassers herbei,
während das zweite für die Temperaturregelung des
Dampfs sorgt. Die Niederdruck-Umleitventile besitzen je
ein Einspritzventil. Das eingespritzte Kondensat enthitzt
den Umleitdampf vor Eintritt in den Kondensator.
BERÜHRUNGSLOS UND VERSCHLEISSFREI
Für die Aufnahme der Ventilstellung sitzen im Kraftwerk
Shoubra El-Kheima an den Umleitventilen und an den
Einspritzventilen Positionssensoren der Temposonics-R-
Serie in Profilbauform (Modell RP). Der Sensor ist von
außen fest an der Laterne des Ventils montiert. Sein Positionsmagnet
ist über eine Schubstange mit der Ventilkupplung
verbunden und bewegt sich über das Sensorprofil,
sobald sich die Ventilstellung ändert. Die Sensoren
arbeiten nach dem magnetostriktiven Messprinzip, sodass
die Positionserfassung berührungslos und verschleißfrei
erfolgt. Der Magnet überträgt die Positionsinformation
ohne Kontakt über magneto-mechanische Effekte
ins Innere des Sensors.
Da die Hydraulikzylinder der Umleit- und Einspritzventile
bei der Modernisierung des Kraftwerks nicht
ausgetauscht wurden, konnte Siemens die RP-Sensoren
durch den äußeren Anbau an den Zylinder einfach nachrüsten.
Für den Neubau oder den Austausch der Antriebstechnik
gibt es im Produktprogramm von MTS
zudem Sensoren in Stabform, die sich besonders gut für
die direkte Integration in den Zylinder eignen.
Neben den RP-Sensoren an den Umleit- und Einspritzventilen
sind im Dampfkraftwerk weitere 64 Positionssensoren
des Modells Temposonics EP an den verschiedenen
Regelventilen im Kesselhaus verteilt. Diese Ventile
waren vor der Modernisierung nicht mit kontinuierlicher
Positionserfassung ausgestattet und konnten nur
die Endstellungen anzeigen. Jetzt sind sie kontinuierlich
regelbar. Hinter der Speisewasserpumpe geben die neu
montierten Sensoren zum Beispiel Rückmeldungen über
den Ventilhub für die Speisewasserzufuhr. Auch an den
Ventilen für die Zuführung des Schweröls, an den Wassereinspritzventilen
für den Zwischenüberhitzer und
das Frischdampfsystem sowie an den Durchfluss-Regelventilen
für die Einleitung des Dieselkraftstoffs in das
Zündsystem melden die Sensoren die Ventilposition an
den Leitstand.
„GEBERSTERBEN“ FÜHRTE ZU HERSTELLERWECHSEL
Während der Modernisierung der Umleit- und Einspritzventile
stellte Siemens fest, dass die bisher eingesetzten
Drehgeber aufgrund eines Produktauslaufs preislich nicht
mehr tragbar waren. Bereits in anderen Kraftwerken hatten
sie bei der Hubmessung an Regelventilen gute Erfahrungen
mit den Positionssensoren von MTS gemacht.
Magnetostriktive Sensoren eines anderen Herstellers
konnten dagegen die Anforderungen nach einer robusten
und zuverlässigen Wegmessung nicht erfüllen. Das
Schwingen der Ventile und die damit verbundenen Vibrationen,
denen die Sensoren ausgesetzt sind, führten zu
einem regelrechten „Gebersterben“.
Ein Herstellerwechsel schaffte Abhilfe. Die seit
mehr als 35 Jahren weiterentwickelte und ausgereifte
Technologie der Temposonics-Sensoren konnte durch
ihre störfeste Positionsrückmeldung überzeugen. Das
hohe Signal-Rauschverhältnis und die damit verbundene
gute Signalqualität machen die Sensoren weit-
16
atp edition
7-8 / 2011
Von auSSen an die Ventile montierte Sensoren erfassen berührungslos
deren Position. Bild: Siemens AG Energy Sector
Einsatz in Ägypten: Nach der Modernisierung der Leittechnik
im Kraftwerk Soubra El Kheima sorgen magnetostriktive Positionssensoren
für Zuverlässigkeit und hohe Verfügbarkeit.
Bild: Lahmeyer International
Dampferzeuger
Überhitzer
HD Umleitventil
ca. 500 °C
Zwischenüberhitzer
Frischdampf-
Schnellschluss-
Ventile
Regelventile
Zwischenüberhitzer-
Schnellschluss-
Ventile
Abfangventile
ND Umleit-
Stop-Ventile
ND Umleit-
Regelventile
Ventil zur
Druckreduzierung
Einspritzwasser
Ventil zur Dampfkühler
Temperaturkontrolle
380 °C
HD
MD
ND
ND
HD Abdampf-
Rückschlagventil
Kessel- Kondensatpumpe
Speisepumpe
Kondensator
ND Einspritzventile
ND Umleitdampf-
Enthitzer
Der Temposonics RP-Sensor
liefert hochpräzise Messergebnisse
und verfügt über ein robustes
Aluminiumprofil.
Bild: MTS Sensor
Technologie
Schemazeichnung eines Kraftwerkblocks
mit Hochdruck- und Niederdruckumleitventilen
Bild: Siemens AG Energy Sector
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7-8 / 2011
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anche
gehend unabhängig von äußeren Einwirkungen und
reduzieren das Rauschen auf ein Minimum. Die robuste
Konstruktion und die berührungslose Wegaufnahme
garantieren eine lange Lebensdauer selbst in
einem extremen Umfeld wie der Kraftwerkstechnik.
Mit dem Umstieg auf die Sensoren von MTS hat Siemens
nach eigenen Angaben im Kraftwerksbau sehr
gute Erfahrungen gemacht.
ZUVERLÄSSIGKEIT DIE WICHTIGSTE ANFORDERUNG
Bei der Auswahl der Positionssensorik für das Kraftwerk
Shoubra El-Kheima spielte die Genauigkeit der Sensoren
eine zweitrangige Rolle. Oberste Anforderung war, dass
das Regelungssignal sicher verwertet werden kann und
die Positionsrückmeldung sehr zuverlässig erfolgt. Die
vibrationsfeste Ausführung der Temposonics-R-Serie-
Sensoren erfüllt mit einer Vibrationsfestigkeit bis 30 g
und einer Schockfestigkeit bis 100 g alle Forderungen
nach Langlebigkeit. Die leistungsstarke, integrierte Elektronik
garantiert in Kombination mit bester Störfestigkeit,
Schutzart IP67 und EMV-Schutz sehr zuverlässige
Messergebnisse – was sie für den harten Dauereinsatz
prädestiniert. Auch von Temperaturschwankungen im
Bereich von -40° C bis +75° C bleiben die Sensoren unbeeindruckt.
Dank der kontinuierlichen Wegmessung
mag netostriktiver Positionssensoren können die Ventile
stufenlos geregelt werden. Mit einer Wiederholgenauigkeit
von ± 2,5 µm ist das exakte Anfahren einer jeden
Ventilstellung möglich.
Temposonics-Positionssensoren arbeiten berührungslos
und wartungsfrei mit einer sehr guten Wiederholgenauigkeit,
so dass sie keine Nachkalibrierung benötigen.
Allerdings verändern sich die Ventile durch Alterung
aufgrund der hohen Temperaturunterschiede (bis
zu 540° C), sodass im Kraftwerk Shoubra El Kheima eine
gelegentliche Nachkalibrierung der Sensoren erforderlich
ist.
Um die Installation und Wartungsarbeiten zu vereinfachen
und erheblich zu verkürzen, hat MTS den sogenannten
Einbau-Programmer entwickelt. Mit diesem
Programmiergerät ist es möglich, einen in der Anlage
montierten Sensor bequem vom Klemmenkasten aus zu
programmieren. So können der Start- und Endpunkt der
Messstrecke und die Messrichtung im Feld neu eingestellt,
die Sensoren leichter an die Bedingungen vor Ort
anpasst und bei Bedarf rekalibriert werden.
PROGRAMMIERUNG IN NUR FÜNF MINUTEN
Die Sensoren im Kraftwerk Shoubra El-Kheima besitzen
einen genormten und werkseitig eingestellten 4..20 mA-
Spannungsausgang. Bei einem Sensorsignal von 4 mA ist
das Ventil geschlossen und bei 20 mA komplett geöffnet.
Für die Rekalibrierung nach dem Anfahren der Turbine
sind 28 der Programmiergeräte zwischen Sensor und
Steuerung dauerhaft in den Klemmenkästen neben den
Ventilen verbaut. Der Einstellmodus kann jederzeit ohne
zusätzliche Einstellwerkzeuge aktiviert werden. Das Ventil
wird in die gewünschte Anfangs- oder Endstellung
verfahren, seine Position mit der 0 %- beziehungsweise
100 %-Taste des Programmiergeräts bestätigt und per
Teach-In in der Steuerung gespeichert.
Bevor Siemens die Einbau-Programmer installierte,
wurde bei jeder Rekalibrierung ein mobiler Handprogrammer
mit dem Sensor und der Steuerung verbunden.
Allerdings sind die Sensoren oft an unwegsamen Stellen
angebracht, Schmutz und Hitze vor Ort erschweren
die Arbeit. Es war eine Herausforderung, beispielsweise
den Handprogrammer bei Dunkelheit an die Kabelenden
des Sensors anzuschließen. So dauerte die Programmierung
bis zu einer halben Stunde pro Sensor.
Mit dem Einbau-Programmer reduzierte sich die Zeit,
inklusive Wegezeiten und Verfahrzeiten für die Ventile,
auf gerade einmal fünf Minuten. Die Programmierung
vom Klemmenkasten aus erleichtert die Arbeit vor Ort
sehr und spart bei jeder Turbinenwartung wertvolle
Zeit. Für alle 28 Sensoren an den Umleit- und Einspritzventilen
bedeutet das eine Zeitersparnis von fast zwölf
Stunden und auch die Inbetriebnahme der Kraftwerksblöcke
nach der Modernisierung verlief schneller. Auch
bei der Inbetriebnahme der einzelnen Kraftwerksblöcke
nach der Modernisierung konnte durch die komfortable
Programmierung sehr viel Zeit eingespart werden.
Zum Einsatz kommen die magnetostriktiven Temposonics-Positionssensoren
auch in anderen Anwendungen
der Energietechnik. In Gasturbinen werden sie bei der
Steuerung der Regelventile für die Gaszufuhr eingesetzt.
In Wasserturbinen erfassen sie die Positionen der Laufrad-
und Leitschaufelverstellung. In Windanlagen bestimmen
sie bei der Pitch Control den Anstellwinkel der
Rotorblätter oder überwachen die Position des Bolzens
bei der Rotorverriegelung.
Autor
Hanserdmann von
Biedersee ist Leiter
Technisches Marketing
Industriesensorik bei MTS
Sensor Technologie.
MTS Sensor Technologie GmbH & Co. KG,
Auf dem Schüffel 9, D-58513 Lüdenscheid,
Tel. +49 (0) 2351 958 729,
E-Mail: H.v.Biedersee@mtssensor.de
18
atp edition
7-8 / 2011
Herausforderung
Automatisierungstechnik
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
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anche | Special Industrial Ethernet
Parallel Redundancy Protocol und High Availability
Seamless Redundancy sichern doppelt ab
Die Entwicklung deterministischer Redundanzverfahren verhalf Ethernet zum Durchbruch
Ein aktuelles Beispiel für neue Anwendungsgebiete von
Ethernet ist die Automatisierung von Umspannwerken
nach IEC 61850 [1]. Insbesondere der IEC 61850-Prozessbus
ist hierbei eine Herausforderung. Dieser Bus ist
ein Netzwerk, über das mit einer typischen Frequenz von
4 kHz die so genannten Sampled Values (SV), also Abtastwerte
von Strom und Spannung der unterschiedlichen
Phasen, übertragen werden. Dabei dürfen nahezu
keine Abtastwerte verloren gehen. Um solche Netzwerke
fehlertolerant auslegen zu können, bedarf es jedoch neuer
Redundanztechnologien.
Die im Bereich der Industrieautomatisierung bewährten
Redundanz-Kontrollprotokolle MRP [2] und RSTP
(Rapid Spanning Tree Protocol) [3] ermöglichen den Aufbau
fehlertoleranter Ethernet-Netzwerke. Ohne diese
Technologien ist beispielsweise ein solches Netzwerk mit
Medienredundanz nicht möglich. Aufgrund der Rundrufcharakteristik
von Ethernet erzeugt jede zusätzliche
Medienverbindung eine Netzwerkschleife und verursacht
damit ein unkontrolliertes Kreisen der Ethernet
Frames. Dies legt das Netzwerk lahm. MRP und RSTP
verhindern dies, indem sie zusätzliche physikalische
Pfade logisch abschalten und nur bei Bedarf aktivieren
– beispielsweise wenn der ursprüngliche Pfad durch einen
Defekt ausgefallen ist. Die Aktivierung des alternativen
Pfades sowie der Umschaltvorgang nehmen Zeit in
Anspruch, in der die Netzwerkkommunikation unterbrochen
ist. Ein schneller MRP-Ring schaltet unter Normalbedingungen
in circa 5 ms um: Für die Anwendung im
Prozessbus immer noch zu langsam. Bei einer Umschaltzeit
von 5 ms gehen bei der bereits erwähnten 4 kHz Senderate
von SV rund 20 Abtastwerte pro Sender verloren.
Ein ähnliches Bild ergibt sich im Anwendungsbereich
der synchronisierten Achsen: Hier wird mit Zykluszeiten
der Steuerungen im niedrigen Milli- bis Mikrosekundenbereich
gearbeitet, wodurch Umschaltzeiten im Millisekundenbereich
oft nicht toleriert werden können.
Spezifikation zweier Redundanzprotokolle
Um diesen neuen Herausforderungen zu begegnen,
sind im Internationalen Standard IEC 62439-3 [4] zwei
Redundanz-Kontrollprotokolle spezifiziert: das Parallel
Redundancy Protocol (PRP) für parallele, redundante
Netze und die High Availability Seamless Redundancy
(HSR) für Ringnetzwerke. Beide Protokolle
basieren auf der Idee, ein von einem Netzwerkknoten
erzeugtes Datenframe zu verdoppeln und auf zwei redundanten
Netzwerkpfaden gleichzeitig zu versenden.
Dabei werden sowohl das Original als auch das Duplikat
am Ziel empfangen. Nach dem Empfang wird allerdings
nur das erste Frame ausgewertet, während
das Duplikat verworfen wird.
Der Vorteil: Im Fehlerfall ist kein Umschaltvorgang
notwendig, der die Kommunikation unterbricht. Falls
Bild 1:Neue Anforderungen in der Automatisierung fordern die Weiterentwicklung der Ethernet-Technologie.
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atp edition
7-8 / 2011
einer der beiden Netzwerkpfade ausfällt, ist die Kommunikation
über den zweiten Pfad weiterhin gewährleistet.
Bild 2 zeigt ein exemplarisches PRP-Netzwerk. Das
PRP-Protokoll ist in den Endknoten implementiert.
Diese Knoten werden auch als DANP (Dual Attached
Node for PRP) bezeichnet. Ein von einer Applikation
in einem DANP erzeugtes Frame wird für den redundanten
Versand von der PRP-Schnittstelle, der Link
Redundancy Entity (LRE), verdoppelt. Anschließend
wird es auf beiden Netzwerken, LAN A und LAN B,
gleichzeitig versandt. Zuvor wird jedes Frame von der
LRE mit einer Zusatzinformation, dem PRP Trailer,
versehen. Dieser enthält unter anderem eine Sequenznummer,
die mit jedem versandten Frame im DANP
hochgezählt wird. Anhand der physikalischen Senderadresse
und der Sequenznummer kann ein empfangender
DANP die zwei zueinander gehörenden
Frames identifizieren. Danach verarbeitet er das erste
Frame und verwirft das Duplikat. Um Ethernet-
Geräte ohne PRP-Schnittstelle redundant mit dem
PRP-Netz zu verbinden, wird eine Redundancy Box,
kurz RedBox, eingesetzt. Die LRE einer RedBox arbeitet
für die Geräte ohne PRP-Schnittstelle als Stellvertreter,
verdoppelt deren Frames und führt die
Duplikaterkennung durch. Eine RedBox kann beispielsweise
ein Ethernet Switch sein, der um eine
PRP-Schnittstelle erweitert ist.
Bild2: Ein exemplarisches
PRP-Netzwerk.
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7-8 / 2011
anche | Special Industrial Ethernet
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-
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atp edition
7-8 / 2011
tionsleitebene und HSR-Ringen auf der Prozessebene
abgedeckt werden. PRP- und HSR-Netze sind hierbei
durch spezielle PRP-HSR-RedBox-Einheiten gekoppelt.
Dieses Anwendungsbeispiel zeigt, das die HSR- und
PRP-Technologien neben der hohen Leistungsfähigkeit
auch flexibel genug sind, um unterschiedlichen Installationsanforderungen
zu erfüllen. Dies ist eine wichtige
Voraussetzung, um den Herausforderungen zu begegnen,
denen Ethernet-Netzwerke der Zukunft gewachsen
sein müssen.
Referenzen
[1] International Standard IEC 61850 – Communication
networks and systems for power utility automation;
Zu beziehen über www.iec.ch
[2] International Standard IEC 62439-2 (2010) – Industrial
communication networks – High availability automation
networks – Part 2: Media Redundancy Protocol;
Zu beziehen über www.iec.ch
[3] IEEE 802.1D-2004 – IEEE standard for local and
metropolitan area networks – Media Access Control
(MAC) bridges; Zu beziehen über GetIEEE802:
http://standards.ieee.org/about/get/802/802.1.html
[4] International Standard IEC 62439-3 (2010) – Industrial
communication networks – High availability automation
networks – Part 3: Parallel Redundancy Protocol
(PRP) and High-availability Seamless Redundancy
(HSR); Zu beziehen über www.iec.ch
Autor
Dipl.-Ing. (FH) Oliver
Kleineberg ist Ingenieur
im Advanced Development
bei Hirschmann
Automation&Control.
Hirschmann - A Belden Brand
Stuttgarter Straße 45-51,
72654 Neckartenzlingen,
Tel. +49 (0) 7127 14 10 35
E-Mail: oliver.kleineberg@belden.com
Unter dem Motto „Studiere Zukunft“ hat die Beuth Hochschule für
Technik Berlin (zuvor Technische Fachhochschule Berlin) die Lehre,
Forschung und Weiterbildung systematisch erneuert. Heute werden
über 10.000 Studierende in 72 akkreditierten Bachelor- und Masterstudiengängen
mit modernster Laborausstattung für eine Karriere in
Wirtschaft und Wissenschaft ausgebildet.
Für das nachstehend aufgeführte Fachgebiet ist folgende
Professur (BesGr. W2) *
zu besetzen:
Kennziffer: 910
Fachgebiet: Maschinenbau-Produktionsautomatisierung
Anforderungen: Bewerber/innen auf diese Stelle verfügen über eine
mehrjährige Erfahrung auf dem Gebiet der Regelungs- und Automatisierungstechnik
im Bereich Maschinenbau. Es wird erwartet, dass
der/die Bewerber/in in der Lage ist, in dem o. a. Fachgebiet die Grundlagen
hervorragend zu vertreten.
Die verstärkte Internationalisierung der Studiengänge erfordert gute
englische Sprachkenntnisse von den Bewerbern und Bewerberinnen.
Die Bewerberinnen/Bewerber müssen fähig sein, das gesamte Fachgebiet
in der Lehre und der angewandten Forschung zu vertreten.
Ebenso wird bei allen Bewerbern und Bewerberinnen vorausgesetzt,
Aufgaben im Bereich der Grundlagenausbildung und im Service zu
übernehmen und engagiert in der akademischen Selbstverwaltung
mitzuarbeiten.
Bei externen Bewerbern/Bewerberinnen wird ein Wohnungswechsel
in den Raum Berlin zur Erfüllung der Dienstpflichten erwartet.
Die Beuth Hochschule für Technik Berlin strebt eine Erhöhung des
Anteils von Frauen im wissenschaftlichen Bereich an. Sie bittet qualifizierte
Interessentinnen nachdrücklich um ihre Bewerbung. Schwerbehinderte
werden bei gleicher Qualifikation bevorzugt.
Voraussetzungen: Berufungsfähigkeit gem. § 100 des Berliner Hochschulgesetzes.
Darüber hinaus kann in Ausnahmefällen auch berufen
werden, wer fachbezogene Leistungen in der Praxis, die ganz besonderen
Ansprüchen genügen, nachweist und über die erforderliche pädagogische
Eignung verfügt. Die Berufung zum Professor/zur Professorin
durch den Senator für Bildung, Wissenschaft und Forschung ist im
Regelfall mit der Ernennung zur/zum Beamtin/Beamten auf Lebenszeit
verbunden.
Bewerbungen mit den üblichen Unterlagen werden unter Angabe der
Kennziffer innerhalb vier Wochen nach Erscheinen an den Präsidenten
der Beuth Hochschule für Technik Berlin, Luxemburger Str. 10,
13353 Berlin, erbeten. Originalunterlagen bitte nur auf besondere Anforderung
einsenden.
Wir bitten Sie, zusätzlich zu Ihrer schriftlichen Bewerbung ein Onlineformular
auszufüllen unter www.beuth-hochschule.de/professur.
* Je nach Qualifikation und Berufserfahrung können neben dem
Grundgehalt der Besoldungsgruppe W2 Berufungs-Leistungsbezüge
gewährt werden.
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anche | Special Industrial Ethernet
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
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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
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anche
IEC 61508: So entwickeln Anfänger
normgerechte Komponenten
Sicherheitsgerichtete Feldgeräteentwicklung für Hersteller
Der Bedarf an sicheren Maschinenkomponenten in der
Automatisierungstechnik und der Prozesstechnik
wächst. Damit kommen auf Komponentenhersteller viele
Anforderungen zu, bevor sie eine SIL-Komponente
verkaufen dürfen. Für die Entwicklung nach IEC 61508,
DIN EN 62061, DIN IEC 61511 stehen Ingenieure und
Entscheider vor dem Problem, die Risiken, Kosten und
den Einfluss auf ihre Organisation abzuschätzen. Die IEC
61508 beschreibt Methoden und Anforderungen zur Minimierung
des Risikos für Gesundheit und Kapital, das
von einer Maschine oder Anlage ausgeht. Betroffen und
daher verantwortlich ist jeder, der am Produktlebenszyklus
in irgendeiner Form mitwirkt.
Wer als Unerfahrener erstmals ein Produkt mit SIL am
Markt vertreiben möchte, muss dieses nicht nur funktional
sicher entwickeln, sondern auch das Functional
Safety Management in seiner Organisation etablieren
und nachweisbar leben, damit er die Beweislastumkehr
im Schadensfall vor Gericht antreten kann. Es gibt viele
Fallstricke und zu klärende Fragen bezüglich der Firmenprozesse
und der Produktentwicklung. Folgende
Bereiche müssen unter anderem untersucht werden:
Firmenprozesse, Entwicklungsprozess, Qualitätswesen
sowie Personalstruktur, Qualifikationen und Verantwortungen.
Entlang des Produktlebenszyklus müssen
nach der Phase Entwicklung auch Anforderungen an
Fertigung, Inbetriebnahme, Wartung/Reparatur und Außerbetriebnahme
erfüllt werden, um auch hier Fehlerquellen
zu minimieren.
1. In sechs Schritten zur sicheren Komponente
So kann die Entwicklung für eine funktional sichere
Komponente ablaufen:
Schritt 1a:
Schritt 1b:
Safety Workshop (technisch)
(Bild 1-Definition der Lasten)
Functional Safety Grundlagenseminar
(Management mit ins Boot nehmen)
(Bild 1-Definition der Lasten)
Schritt 1c: Sicherheitsanforderungen, Safety Plan,
V&V-Plan (Bild 1-Sicherheitskonzept)
Schritt 2: Concept Approval (Bild 1-Konzeptfreigabe)
Schritt 3-5: Safety Hardware und
Software Entwicklung
(Design, Integration, Test)
(Bild 1-Entwicklung, Bild 2)
Schritt 6: Zertifizierung (Bild 1-FS Assessment)
1.1 Schritt 1a: Safety Workshop
In einem Safety Workshop können die übergeordneten
Anforderungen des Produktmanagements gesammelt
und eine erste Grob-Architektur mit einer System-
FMEA auf Blockebene erstellt werden. Die sichere
Funktion und der sichere Zustand des Produktes werden
beschrieben. Bei komplexen Projekten ist es ratsam,
bereits zu diesem Zeitpunkt einen unabhängigen
Safety Assessor (zum Beispiel TÜV, IFA) für eine Vorkonzeptbesprechung
einzubeziehen, um effizienter
zur Konzeptfreigabe zu gelangen.
Tipp: Ein unabhängiger Assessor hilft während der
gesamten Entwicklung beim Aufbau und der Bewertung
der benötigten Prozesse. Er sollte wenigstens in einer
anderen Abteilung, besser in einer anderen Organisation,
angestellt sein.
1.2 Schritt 1b: Grundlagen – auch fürs Management
Häufig bestimmt der Tunnelblick die Abläufe in Organisationen.
Der Produktmanager sieht nur sein Produkt,
die Entwickler sehen nur die ihnen zugewiesenen Aufgaben
und das Management ist sich der Implikationen
der funktionalen Sicherheit auf die gesamte Firma mit
ihren Prozessen und Abläufen nicht bewusst. Hilfreich
ist ein FS Grundlagenseminar, wie es vom TÜV angeboten
wird. Hier wird entlang des zukünftigen Produktes
das Thema Funktionale Sicherheit für alle Hierarchieebenen
erklärt. Die mögliche Folge: Die Prozesse
werden nun dokumentiert.
1.3 Schritt 1c:
Safety Plan, Sicherheitsanforderungen / Konzept
Der Safety Plan legt dar, auf welcher Grundlage das
Produkt sicher sein wird, beschreibt Prozesse und
Verantwortungen sowie organisatorische Dinge (z. B.
verweist auf das Qualitätshandbuch). Er ist ein zentrales
Dokument und steht am Anfang jeder Entwicklung.
Im Verification & Validation Plan (V&V-Plan)
kann gelesen werden, wie, wann, von wem, was verifiziert
und am Ende validiert wird. Entlang jeder Lebenszyklusphase
werden so Verantwortungen, Qualitätsmanagement,
Konfigurationsmanagement, Änderungsmanagement,
Tooling und Maßnahmen zur
Fehlervermeidung dokumentiert. Sicherheitsanforderungen
und Sicherheitsintegritätsanforderungen
(SRS) müssen systematisch (bei mittleren und großen
Projekten besser mit einem datenbankbasierten Werkzeug)
erfasst werden. Sicherheitskonzepte für Hardware
und Firmware dokumentieren die Machbarkeit
der SRS. Die Dokumente werden nach einer Review
mit dem Ziel der Vollständigkeit und Verständlichkeit
zur Konzeptprüfung eingereicht.
1.4 Schritt 2: Die Konzeptprüfung
Beurteilt werden neben dem Safety Plan die Sicherheitsanforderungen
und der V&V-Plan. Inhalte sind unter anderem
Safety Policy des Unternehmens
Organisationsstruktur der Firma
Personal, Verantwortungen, Qualifikation
Prozessbeschreibungen
Standards und Vorlagen
Das Ergebnis ist ein Reviewbericht mit klassifizierten
Punkten. Die Punkte müssen gemäß Änderungsprozess
behoben werden. Betroffen sein kann die Ge-
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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.
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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
atp edition
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atp edition
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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
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atp edition
7-8 / 2011
Dr.-Ing. Eckhard Roos, Festo AG&Co KG
Energieeffizienz und die Optimierung spezifischer
Produktionskosten sind zentrale gesellschaftliche
und betriebliche Themen, denen
wir uns stellen müssen. Energieeffiziente
Technologien sind in der Investitionsphase
oftmals teurer als traditionelle Technologien. Über den
gesamten Lebenszyklus einer Produktionsanlage zahlen
sich Maßnahmen zur Effizienzsteigerung und zur
Senkung der Lebenszykluskosten einer Anlage (LCC)
aber meistens aus.
Die zu erwartenden Gesamtkosten von Produktionsanlagen
über den Lebenszyklus, der bei Anlagen der
kommunalen Wasser- und Abwasseraufbereitung und
bei verfahrenstechnischen Produktionsanlagen bis zu
25 Jahre betragen kann (Bild 1), können aber in Abhängigkeit
der (verfahrens)technischen Auslegung der Anlagen
und der eingesetzten Automatisierungskomponenten
und -systeme stark variieren. Eine Anlagen- beziehungsweise
Automatisierungsvariante mit niedrigsten
Investitionskosten muss bei einer Betrachtung der Summe
aller Kosten des Lebenszyklus nicht immer das betriebswirtschaftliche
Optimum darstellen.
Eine reine Betrachtung der Investitionskosten bei der
Bewertung von Alternativtechnologien greift zu kurz
und kann bei der Aufgabe der Senkung von LCC zu falschen
Schlüssen führen. Leider werden Investitionsentscheidungen
aber auch heute noch oftmals ausschließlich
auf Basis der Investitionskosten getroffen, obwohl
unter anderem die öffentliche Vergabeordnung fordert,
dass auch LCC und Energieeffizienz bei der Evaluierung
von Alternativtechnologien zu berücksichtigen sind.
1. Potenziale der Energieeffizienzoptimierungen
In der Gesamtkette des Energiestromes von der Primärenergieförderung
bis zur Umwandlung von elektrischer
Energie in Wärme, kinetische oder potentielle Energie
treten Verluste auf wie zum Beispiel beim Transport
durch Pipelines oder bei der Umwandlung der Primärenergie
in elektrische Energie in Kraftwerken. Die größten
Potenziale zur Steigerung der Energieeffizienz werden in
den Produktionsprozessen der Verfahrenstechnik und der
Fertigungstechnik gesehen [1].
Das Potenzial kann dabei durch verschiedene Maßnahmen
ausgeschöpft werden, wie zum Beispiel durch
Anwendung energieeffizienter Einzelkomponenten
(beispielsweise energieeffiziente Motoren)
Automatisierungsstrukturen, die eine Anlagenfahrweise
angepasst an die jeweiligen Anforderungen
ermöglichen (wie Sauerstoffeintrag in Klärwerken
in Abhängigkeit der aktuellen Parameter der
Schmutzfracht)
geänderte technische Auslegungen der Anlagen
(siehe Beispiele in diesem Artikel)
Weitere Kennwerte aus einer Studie des Bundesumweltamtes
aus dem Jahre 2006 zeigen das enorme Potenzial
an Möglichkeiten der Effizienzsteigerung am Beispiel
kommunaler Kläranlagen [2]. Kommunale Kläranlagen
verbrauchen im Durchschnitt 4400 GWh (pro Jahr), was
0,7% des bundesweiten Verbrauchs an elektrischer
Energie,
20% des Verbrauchs elektrischer Energie der
Kommunen und
einem Äquivalent von 3 Mio t CO2 entspricht.
Die größten Verbraucher der Energie in Klärwerken sind
dabei
Einrichtungen zur Belüftung
Pump- und Rührwerke
Schlammbehandlung.
In Klärwerken gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten,
die Energieeffizienz zu steigern. Zum einen werden
laut [2] durch Faulgaserzeugung und dessen Verstromung
schon etwa 865 GWh (zirka 20% des Gesamtbedarfs)
in den Anlagen selbst erzeugt. Dieses Potenzial
kann sicherlich noch weiter ausgebaut werden. Zum
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Hauptbeitrag | Automation 2011
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-
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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
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Hauptbeitrag | Automation 2011
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-
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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
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Hauptbeitrag | Automation 2011
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
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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
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Hauptbeitrag | Automation 2011
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
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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 zeit- und 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.
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Hauptbeitrag | Automation 2011
2. Beschreibung der Testobjekte
Die Informationsflussverfolgung benutzt für die Testauswertungen
die Systemstruktur-Informationen des Testobjektes,
die aus der Konfiguration der Anlage gewonnen
werden. Die Konfigurationen liegen oft in einem proprietären
Format vor, aus diesem Grund wurde eine einfache
neutrale Beschreibungssprache entwickelt. Diese besteht
aus Modulen und Verbindungen [9][10].
2.1 Beschreibungssprache
Die Knoten werden als Module mit dem Namen, der Adresse
und dem Teilnehmertyp gekennzeichnet. Die Adresse
und der Teilnehmertyp dienen der Identifizierung
des Moduls im Netzwerk und der Auswahl des Subfilters
bei der Protokollanalyse. Jedes Modul kann mit weiteren
Modulen und Verbindungen beschrieben werden.
Die Verbindungen sind mit dem Namen und der Protokollidentifikation
gekennzeichnet. Das Protokoll der
Verbindung dient zur Auswahl des Filterprogramms zur
Protokollanalyse. Zusätzlich kann eine Verbindung die
Beschreibung des angeschlossenen Messwerkzeuges enthalten.
Eine Verbindung enthält die Module, die an ihr
angeschlossen sind (siehe Bild 2).
Die Struktur des Testobjektes wird automatisch aus einer
"proprietären Computer-aided engineering" (CAE)
Beschreibung generiert. Um die Verständlichkeit der Konfiguration
zu erhöhen, können automatisch vergebene
Namen angepasst werden. Das BILD 2 zeigt die Beschreibung
des im BILD 1 dargestellten Ausschnitts des Einbruchmeldesystems.
Die Systemstruktur wird hierarchisch
aufgebaut mit der Verbindung „Backbone“ als
Basis. Das abstrakte Modul „Einbruchmeldesystem“ stellt
das gesamte System dar. Das Feldkoppelmodul ist an dem
internen Bus, am Feldbus sind der Bewegungsmelder, der
Glasbruchmelder und das Ausgangsmodul angeschlossen.
Links im BILD 3 steht die Systemstruktur-Beschreibung
in Form eines Hierarchiebaums. Rechts im Bild werden
die Attribute des Moduls oder der Verbindung angezeigt.
2.2 Komponentenbibliothek
Gebäudesicherheitsanlagen sind durch eine große Anzahl
und Vielfalt von Komponenten gekennzeichnet. So
kann eine Anlage mehrere hundert gleichartige Bewe-
BILD 1:
Exemplarische
Erläuterung der
Testplansprache
Messw erkzeug
Feldbuskoppelmodul
Interner Bus
27
Backbone
07
Netzwerkinterface
Sicherheitsnetzwerk
01
Bewegungsmelder
Messwerkzeug
Eibruchmeldezentrale
Feldbus
01 02
Lichtanzeige
02
Aus gangsmodul
Aktor
Sens oren
03
Glas bruchssensor
Aktoren
Tes tobjekt
Feldbus
Backbone
Testfall »Bew egungsalarm«
S icherheitsnetzwerk
Bewegungsmelder
T1 < 200 ms
Einbruch
T2 < 300 ms
Lichtanzeige
Kanal: Feldbus
Nachricht: Bewegung
Testübergang
(Zeitbedingung)
Kanal: Backbone
Nachricht: Einbruch
Kanal: S icherheits netz..
Nachricht: Licht- ein
Testoperation
BILD 1: Exemplarische Erläuterung der Testplansprache
BILD 2:
Ausschnittsweise
Beschreibung
eines Testobjektes
…
40
atp edition
7-8 / 2011
gungsmelder enthalten. Jeden Bewegungsmelder der
Anlage ausführlich zu beschreiben, würde zu einer großen
und unübersichtlichen Konfiguration führen. Außerdem
würde diese dann sehr viele redundante Informationen
enthalten. Um diese Redundanzen zu vermeiden,
wurden allgemeine Eigenschaften eines Moduls
oder einer Verbindung in eine Bibliothek ausgelagert. Die
Bibliothek wird der Übersichtlichkeit halber in mehrere
Gruppen unterteilt (siehe BILD 4).
Die Bibliothek besteht aus den Gruppen „sensors“ und
„connections“. Für die Module vom Typ „Bewegungsmelder_Typ1“
werden Verarbeitungszeiten im Intervall
100 ms bis 300 ms angegeben. Für die Verbindung „Honeywell
Bus 2“ werden die Übertragungsrate, der Protokolltyp
und der Verweis auf das Filterprogramm zur
Protokollanalyse der Nachrichten von dieser Verbindung
spezifiziert. Die Verarbeitungs- und Übertragungszeiten
werden bei den Plausibilitätsprüfungen während der
Testplanung verwendet.
Jede Komponente der Konfiguration bekommt einen
Verweis auf den Eintrag in der Bibliothek, wie zum Beispiel
der Typ des Bewegungsmelders. Das zusätzliche
Attribut „ref“ gibt den Pfad zu den Informationen in der
Bibliothek an. In dem Beispiel handelt es sich um den
Verweis auf die Zusatzinformation zum Bewegungsmelder,
siehe BILD 2.
3. Protokollanalyse mittels Systemstruktur-
Information
3.1 Beschreibung der Nachrichten
Eine manuelle Analyse der erfassten Rohdaten ist
schwierig und zeitaufwendig. Die Struktur der Nachrichten
ist vom Protokoll und den Teilnehmern abhängig.
Mit der Protokollanalyse werden die Rohdaten automatisch
in eine lesbare Form transformiert. Die Transformation
wird mit einer allgemeinen Protokollspezifikationssprache
basierend auf der Metasprache XML beschrieben.
Die Sprache enthält Elemente für Textdarstellung,
bedingte Verarbeitung, komplexe
Fallunterscheidung, Verweise, Schleifen und längenabhängige
Verarbeitungen (siehe Bild 5).
Für jedes Protokoll und jeden Teilnehmer wird ein
Filter in dieser Sprache erstellt, mit dem die Nachrichten
zerlegt werden. Das Subfilter dient der Interpretation der
teilnehmerspezifischen Nutzdaten.
BILD 3:
Konfiguration eines
verteilten Systems
Verbindung
Module
…
…
BILD 4:
Auszug aus der
Komponentenbibliothek
atp edition
7-8 / 2011
41
Hauptbeitrag | Automation 2011
3.2 Analyse der Nachrichten
Änderungen an der Systemstruktur der Anlage, zum
Beispiel durch Hinzufügen eines neuen Teilnehmers,
erfordern Änderungen am Filter, da dieses an die Konfiguration
der Anlage gebunden ist. Die Lösung für
dieses Problem ist eine konfigurationsabhängige Protokollanalyse.
Diese greift auf die Systemstruktur-Beschreibung
der Anlage zu und schafft eine dynamische
Bindung zwischen den Filtern und der Systemstruktur-Beschreibung.
Die empfangenen Nachrichten enthalten Adressen der
kommunizierenden Teilnehmer. Mit Hilfe dieser Adressen
und des Kommunikationskanals wird der Teilnehmer
durch die Systemstruktur-Beschreibung eindeutig
identifiziert. Der Teilnehmertyp dient der Identifikation
des Subfilters [9][10].
BILD 6 zeigt das Ergebnis der Interpretation einer
Nachricht. Als erstes wird der Nachrichtenkopf interpretiert.
Dieser enthält die Adresse des Empfängers, die
mit dem Element „mask“ ermittelt wird. Das Adressabhängigkeitsfilter
hat die Aufgabe, den Teilnehmertyp
aus der Systemstruktur-Beschreibung zu ermitteln und
das zugehörige Subfilter aufzurufen. Die Nutzdaten bestehen
aus der Länge und dem Zustand der Ausgänge
des Teilnehmers. Zum Schluss wird die Checksumme
der Nachricht ausgegeben.
4. Nachrichtengenerierung bei der Testplanung
Nach der Integration der Systemstruktur-Informationen
in die Testauswertung wurde deren Verwendung auch
bei der Testplanung in Betracht gezogen. Eine der Fehlerquellen
bei der Testplanung ist die Spezifikation der
Nachricht in der Testoperation. Ist die angegebene
Nachricht nicht richtig, dann ist auch der Testfall
falsch. Um die richtige Nachricht zu spezifizieren, muss
sich der Tester mit dem Protokoll und der Spezifikation
des Empfängers beziehungsweise des Senders auseinandersetzen.
Zur Unterstützung des Testers bei der Testplanung
wurde ein Nachrichten-Generator konzipiert.
Er basiert auf den bereits für die Protokollanalyse erstellten
Filtern. Die Filter enthalten die Protokollbeschreibung
und auch die Spezifikation der Teilnehmer.
Über den Kommunikationskanal wird das Protokoll
ermittelt. Danach werden alle an einer Verbindung angeschlossenen
Teilnehmer zur Auswahl angeboten.
BILD 5:
Filter und Subfilter
für den Teilnehmer
„Ausgangsmodul“
...
BILD 6:
Protokollanalyse
der Nachrichten
42
atp edition
7-8 / 2011
Nach der Auswahl des Empfängers wird das Subfilter
identifiziert. Somit sind die zugehörigen Filter und Subfilter
bekannt. Aus den Filtern wird eine Liste erzeugt,
in der die Struktur der Nachricht beschrieben ist. Die
bekannten Informationen, wie zum Beispiel die Adresse,
werden in die Nachricht eingetragen. Der Benutzer
hat die Möglichkeit, die Nutzdaten aus einer Auswahlliste
festzulegen. Dadurch können Fehleingaben vermieden
werden. Sind im Filter keine Werte spezifiziert,
wird der Benutzer aufgefordert den Wert einzutragen.
BILD 7 zeigt die Eingabemaske für eine Nachricht eines
Ausgangsmoduls. Der Nachrichten-Generator erzeugt
eine Maske, in der der Benutzer den Zustand der Ausgänge
festlegt.
5. Plausibilitätsprüfung der Zeiten
Eine weitere Fehlerquelle während der Testplanung ist
die Vorgabe der Zeitbedingung bei den Testübergängen.
Trägt der Benutzer das falsche Zeitintervall ein, führt dies
zwangsläufig zu einem fehlerhaften Testfall oder einem
sinnlosen Test. Um die Zeitbedingung auf Plausibilität
prüfen zu können, wurden die Verarbeitungszeiten T j der
m Geräte in der Bibliothek abgelegt. Die Übertragungszeiten
von L n Verbindungen T j werden aus der Nachrichten-
= L[bit] und der Übertragungsrate f bit
Tlänge [bit/s] mit
fbit
L
der Formel T = berechnet.
f
bit
m+
n
m+
n
MIN
≤∑ MIN , j;
∑ MAX,
j
≤
MAX
j=
1
j=
1
m+
n
m+
n
∑ , ∑ ,
T T T T
TMIN ≤ TMIN j;
TMAX j
≤TMAX
Die Summe der Übertragungszeiten j=
1
j=
1 der Verbindungen
und der Verarbeitungszeiten der Knoten entlang
eines Kommunikationspfades muss der Zeitbedingung
des Testübergangs T MIN
Hauptbeitrag | Automation 2011
6. Zusammenfassung und Ausblick
Referenzen
Mit Hilfe der beschriebenen Verfahren wird der gesamte
Ablauf des automatisierten Testens von verteilten
Systemen unterstützt. Auf Basis der Systemstruktur-
Beschreibung des zu testenden Objektes können sowohl
die Testplanung als auch die Testauswertung realitätsnah
durchgeführt werden. Mit der konfigurationsabhängigen
Protokollanalyse werden die Messdaten in
einer lesbaren Form präsentiert. Die Plausibilitätsprüfung
eingegebener Zeiten und die Nachrichtengenerierung
für die Testoperationen erhöhen die Testzuverlässigkeit
bei der Testplanung.
Ein weiterer Schwerpunkt unserer Forschung ist die
Entwicklung virtueller Teilnehmer, die sich wie reale verhalten
sollen. Für die Fehleranalyse einer bestimmten,
sich in Betrieb befindenden Anlage muss eine exakte Kopie
der Anlage erstellt werden. Dies ist mit hohen Hardwarekosten
und mit enormem Arbeitsaufwand verbunden.
Mit virtuellen Teilnehmern lässt sich dieser Aufwand
erheblich reduzieren.
Manuskripteingang
12. Mai 2011
Autoren
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet
[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
atp edition
7-8 / 2011
Mit komplettem
eBook
auf CD-ROM
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Armaturen in
Wärmekraftwerken
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Dieses auf dem deutschsprachigen Markt einzigartige Buch
bringt alle Voraussetzungen mit, um sich in der Branche zu
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einem Standardwerk zu entwickeln.
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Das Werk einem stellt Standardwerk die Funktionsweise zu entwickeln. von Armaturen und Armaturenantrieben
in Wärmekraftwerken vor, wobei der inhaltliche Schwerpunkt
auf den Hochtemperaturkreisläufen liegt. Zudem werden
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Armaturen in kraftwerksspezifi schen Nebenkreisläufen vorgestellt.
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Armaturen
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Einführung
schen
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Nebenkreisläufen
Grundbauarten werden
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Einführung
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in die Grundbauarten
erläutert.
werden
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Die bequeme und sichere Bezahlung per Bankabbuchung wird mit einer Gutschrift
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Datum, Datum, Unterschrift Unterschrift
PAAWKW2011 PAAWKW2011
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.
Die Frist beginnt Die Frist nach beginnt Erhalt nach dieser Erhalt Belehrung dieser Belehrung in Textform. in Textform. Zur Wahrung Zur Wahrung der Widerrufsfrist Widerrufsfrist genügt genügt die rechtzeitige die rechtzeitige Absendung Absendung des Widerrufs des Widerrufs oder oder Sache der Sache an die an Vulkan-Verlag die Vulkan-Verlag GmbH, GmbH, Versandbuchhandlung, Postfach Postfach 10 10 39 39 62, 62, 45039 45039 Essen. Essen.
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✘ ✘
Hauptbeitrag | Automation 2011
Modellgestützte
Modernisierungsplanung
Ist-Zustand mit CAEX abbilden
Mit dem wachsenden Markt für die Modernisierung automatisierter industrieller Produktionsanlagen
gewinnen die Abwicklung von Modernisierungsprojekten und die Optimierung
der Abläufe im Anlagen-Reengineering zunehmend an Bedeutung. Aufbauend auf
einer funktionalen Anlagenbeschreibung wird in diesem Beitrag gezeigt, wie sich der Ist-
Zustand einer zu modernisierenden Anlage mit Hilfe von CAEX formalisiert abbilden lässt.
Gleichzeitig wird beschrieben, welche Möglichkeiten sich daraus für eine frühzeitige Softwareunterstützung
in der Angebotsphase von Modernisierungsprojekten ergeben.
SCHLAGWÖRTER Modernisierungsplanung / funktionale Anlagenbeschreibung /
Modellierung / CAEX
Model-driven plant modernization
As the market for the modernization of automated industrial production plants is growing,
the management of modernization projects and thus the optimization of plant reengineering
processes have become increasingly important. Based on a functional description of
a plant, this article shows how CAEX can be used to produce a formalized image of the
actual state of a plant that has to be modernized and the resulting possibilities for an
early software support during the tendering phase of modernization projects.
KEYWORDS Modernization / Functional Plant Description / Modeling / CAEX
46
atp edition
7-8 / 2011
Martin Strube, Alexander Fay, Helmut-Schmidt-Universität, Hamburg
Sébastien Truchat, Helmut Figalist, Siemens AG, Erlangen
Der Zeit- und Kostendruck im internationalen
Wettbewerb erfordert vermehrt die Verkürzung
der Abwicklungszeiten und Reduzierung der
Projektkosten im Anlagenbau. Dadurch gewinnt
eine effiziente und durchgängige Anlagenplanung
zunehmend an Bedeutung [1]. Insbesondere
der Entwurfprozess komplexer Automatisierungssysteme
bietet erhebliches Optimierungspotenzial, da dieser
durch eine Vielzahl von Abhängigkeiten zu den Engineering-Ergebnissen
und damit auch Planungsdaten
verschiedener am Projekt beteiligter Gewerke geprägt ist.
Dabei sind „modellbasierte Ansätze ein wesentlicher
Hebel zur Integration und Optimierung der Engineering-
Prozesse im industriellen Anlagenbau.“ [2]
Die Ergebnisse einer quantitativen Literaturstudie haben
gezeigt, dass ein Großteil der Forschungsaktivitäten in
diesem Kontext auf die frühen Phasen im Anlagenlebenszyklus
fokussiert – im Gegensatz dazu findet zum Beispiel
die Anlagenmodernisierung kaum Beachtung [3]. Diese
Entwicklung steht in starkem Kontrast zur rückläufigen
Entwicklung des Marktes für den Neubau automatisierter
industrieller Produktionsanlagen in Nordamerika und
Mitteleuropa und dem wachsenden Markt für die Modernisierung
bestehender Anlagen in diesen Regionen [4]. Um
der zunehmenden Bedeutung von Modernisierungsprojekten
automatisierter industrieller Produktionsanlagen
gerecht zu werden, gilt es, Methoden, Modelle und Werkzeuge
zu entwickeln, die den speziellen Herausforderungen
dieser Modernisierungsprojekte gewachsen sind und
eine durchgängige Modellunterstützung ermöglichen.
1. Besonderheiten von
Modernisierungsprojekten
Modernisierungsprojekte für automatisierte industrielle
Produktionsanlagen unterscheiden sich in zwei wesentlichen
Aspekten von den Greenfield-Projekten. Zum einen
müssen die Planungsingenieure bereits in der Angebotsphase
eines Modernisierungsprojektes prognostizieren,
welche Auswirkungen die einzelnen Veränderungen an
der bestehenden Automatisierungslösung auf die Gesamtfunktionalität
der Anlage haben – was eine Aufnahme
des Ist-Zustandes der zu modernisierenden Anlage voraussetzt.
Zum anderen werden die Planungsingenieure
bei der Aufnahme des Ist-Zustandes der zu modernisierenden
Anlage mit einer Vielzahl heterogener, über Jahre
hinweg gewachsener Planungsdokumente konfrontiert.
1.1 Heutige Vorgehensweise
Die Herangehensweise ist dadurch gekennzeichnet, dass
erfahrene Planungsingenieure eine Vielzahl heterogener
Planungsdokumente auswerten, um daraus eine strukturierte
Anlagenübersicht zu erstellen. Die Ergebnisse werden
in der Regel mit Hilfe von Office-Werkzeugen, wie
zum Beispiel Microsoft Excel, Microsoft Visio und ähnlichem
erfasst. Auf dieser Grundlage wird ein Angebot
für die Realisierung des Modernisierungsvorhabens erstellt.
Werden bei dieser Aufwandsabschätzung funktionale
Abhängigkeiten übersehen, können die daraus resultierenden
Folgekosten eines einzelnen Projektes die Gewinne
mehrerer erfolgreicher Modernisierungsprojekte
egalisieren. Je komplexer das zu modernisierende Automatisierungssystem
ist, desto wahrscheinlicher ist das
Auftreten von Fehlern bei dieser Vorgehensweise.
Wenn ein Angebot angenommen wird, werden die Erkenntnisse
über den Ist-Zustand der Anlage und über die
angestrebte Automatisierungslösung manuell in die für
das Engineering von Neuanlangen-Projekten ausgelegte
Werkzeuglandschaft übertragen.
2. Durchgängige Modellunterstützung
Sowohl Greenfield-Projekte als auch Anlagenmodernisierungsprojekte
lassen sich in die in Bild 1 dargestellten
Projektphasen strukturieren, wobei sich beide Projektarten
in der Akquisitionsphase wesentlich unterscheiden.
Für die Phasen Planung, Realisierung und Inbetriebnahme
gibt es meist klar definierte Werkzeuge, Model-
atp edition
7-8 / 2011
47
Hauptbeitrag | Automation 2011
BILD 1: Projektbezogene
Phasen [5]
BILD 2: Modell
der funktionalen
Anlagenbeschreibung
[8]
le und Sichten, die in einem unternehmensspezifischen
Vorgehensmodell strukturiert sind. Im Gegensatz dazu
ist das Vorgehen in der Akquisitions- beziehungsweise
Angebotsphase von Modernisierungsprojekten oft wenig
strukturiert.
Die Angebotsleiter sammeln und strukturieren in der
Angebotsphase Informationen, um das Angebot daraus
abzuleiten. Die dabei entstandene Dokumentation ist
sozusagen das erste Modell der Anlage. Es wird im Folgenden
Anlagengrobmodell genannt. Wird ein Angebot
angenommen, beginnen die Ingenieure der Planungsphase
ihrerseits damit, die für das Modernisieren der Automatisierungslösung
benötigten Informationen zu sammeln
und strukturieren, um sie in den verfügbaren CAE-
Werkzeugen abzubilden. Auch dabei entsteht ein Modell
der Anlage, welches im Folgenden als Engineering-Modell
bezeichnet wird.
Zwischen dem Anlagengrobmodell und dem Engineering-Modell
besteht naturgemäß eine große inhaltliche
Überlappung. Allerdings werden die Informationen
im Engineering-Modell anders strukturiert und
dargestellt, das heißt die Informationen aus dem Anlagengrobmodell
können nicht 1:1 übernommen werden.
Die fehlende Möglichkeit, Engineering-Daten
werkzeugneutral, Workflow-begleitend und gewerkeübergreifend
auszutauschen, führt dazu, dass Engineering-Daten
mehrfach manuell konvertiert, übertragen
und bearbeitet werden, was zu einem Mehraufwand
und Zeit- und Qualitätsverlust führt [6].
Um einerseits die Möglichkeiten für eine frühzeitige
Werkzeugunterstützung in der Angebotsphase zu schaffen
und andererseits den Übergang von der Angebotsphase
in die Engineeringphase zu optimieren, gilt es, ein
Modellierungskonzept für die Anlagengrobmodellierung
in der Angebotsphase zu definieren und ein für den Datenaustausch
mit den CAE-Werkzeugen der Engineeringphase
geeignetes Beschreibungsmittel zu wählen. Ein
modellbasierter Ansatz ermöglicht dabei:
den Anlagen-Ist-Zustand in der Angebotsphase in
Form eines formalisierten Anlagengrobmodells zu
erfassen.
das Risiko in der Angebotsphase mit Hilfe einer
Werkzeug-Unterstützung zu minimieren.
48
atp edition
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-
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Hauptbeitrag | Automation 2011
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
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atp edition
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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
[7] Verein Deutscher Ingenieure – Verband der Elektrotechnik,
Elektronik und Informationstechnik: Richtlinie VDI/VDE
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
[9] Verein Deutscher Ingenieure – Verband der Elektrotechnik,
Elektronik und Informationstechnik: Richtlinie VDI/VDE
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
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Autoren
Dipl.-Ing. Martin Strube (geb. 1981) ist als Rüstungsoffizier
im Logistikamt der Bundeswehr tätig und
beschäftigt sich seit 2008 im Rahmen seiner berufsbegleitenden
Promotion mit der funktionalen Beschreibung
von Produktionsanlagen.
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr
Hamburg, Institut für Automatisierungstechnik,
Holstenhofweg 85, D-22043 Hamburg,
Tel. +049 (0) 40 65 41 22 54, E-Mail: martin.strube@hsu-hh.de
Prof. Dr.-Ing. Alexander Fay (geb. 1970) leitet das
Institut für Automatisierungstechnik der Helmut-
Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr
Hamburg.
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr
Hamburg, Institut für Automatisierungstechnik,
Holstenhofweg 85, D-22043 Hamburg,
Tel. +49 (0) 40 65 41 27 19, E-Mail: alexander.fay@hsu-hh.de.
Dr.-Ing. Sébastien Truchat (geb. 1973) ist Consultant
für Systems Engineering bei der Siemens AG, Corporate
Research and Technologies, Technical Consulting, CT T
DE TC4. Tätigkeitsschwerpunkte: Mitarbeit in und
Projektleitung von Consulting Projekten zur Modellierung
und Automatisierung industrieller Anlagen.
Siemens AG, Corporate Technology,
San-Carlos-Str. 7, D-91058 Erlangen,
Tel. +49 (0) 9131 7316 96,
E-Mail: sebastien.truchat@siemens.com
Dr. rer. nat. Helmut Figalist (geb. 1959) war jahrelang
als Projekteur und Projektleiter in verschiedenen
industriellen Branchen tätig. Sein besonderes Interesse
galt stets der Verbesserung des Engineeringsprozesses.
Neben dem Engineering von Prozessleitsystemen
beschäftigte er sich vor allem mit der Zusammenarbeit
der Gewerke im Anlagenengineering. Weitere Tätigkeitsschwerpunkte
waren die Standardisierung von Automationslösungen
und Plattformen insbesondere auch die
branchenubergreifende Benutzung von Lösungskernen.
Heute ist er als Principal Automation bei Siemens Metals
Technology verantwortlich für die Entwicklung im
Bereich Automation.
Anzahl der Wirk- beziehungsweise Kommunikationsschnittstellen
untergliedert. Die Veränderung der Anzahl
unterbrochener Wirk- und Kommunikationsbeziehungen
wird durch die Differenz inkonsistenter Links
deutlich. Die Auflistung der inkonsistenten Links wird
ergänzt um die Information, wie viele dieser Verknüpfungen
sich in der „Grenzschicht“ des Anlagenmodells
befinden. In der „Grenzschicht“ liegen alle funktionalen
Verknüpfungen, von denen nur ein Verknüpfungspartner
bei der Modernisierungsplanung ersetzt wird.
Diese Information ist für die Planungsingenieure von
besonderer Bedeutung, da sie veranschaulicht, wie viele
der verbleibenden Komponenten direkt von der Modernisierungsmaßnahme
betroffen sind, wodurch sie
ein wesentliches Indiz für den zu erwartenden Integrationsaufwand
darstellt.
Durch die softwaretechnische Gegenüberstellung der
Mengengerüste verschiedener Anlagenmodelle entsteht
für die Planungsingenieure die Möglichkeit, die Auswirkungen
von Veränderungen der bestehenden Automatisierungslösung
zu simulieren und auch unterschiedliche
Modernisierungsszenarien miteinander zu
vergleichen.
Neben der in Bild 5 dargestellten Grobübersicht der
Mengengerüste bietet der Softwareprototyp auch ein Fehlerprotokoll,
dem die detaillierten Analyseergebnisse zu
entnehmen sind und eine Editor-Funktionalität, um erkannte
Inkonsistenzen oder Lücken zu bearbeiten.
Zusammenfassung und Ausblick
Basierend auf einem Konzept für die funktionale Beschreibung
automatisierter industrieller Produktionsanlagen
wurde gezeigt, wie sich der Ist-Zustand einer zu
modernisierenden Anlage mit Hilfe von CAEX modellieren
lässt. Auf dieser Grundlage wurde eine Fallstudie
durchgeführt. Die im Rahmen dieser Fallstudie erzielten
Ergebnisse konnten das Potenzial einer frühzeitigen Modellunterstützung
zur Risikominimierung in der Angebotsphase
von Modernisierungsprojekten für Automatisierungslösungen
verdeutlichen.
Manuskripteingang
00.00.2010
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet
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.
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Wartungsinformationen an die Leitwarte gemeldet werden. Was sich
zunächst komplex anhört, funktioniert mit IO-Link ganz einfach.
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Anlagenbau, Betreiber, Instandhalter, Planer und Systemintegratoren
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Datum, Unterschrift PAIOL12010
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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.
Hauptbeitrag | Automation 2011
Mensch-Roboter-
Kooperation
Humansicherheit im robotergestützten Assistenzsystem
Die Entwicklung eines Mehrroboter-Assistenzsystems zur Reduzierung arbeitsintensiver
manueller Handhabungsaufgaben von schweren und sperrigen Schweißbaugruppen beschreibt
dieser Beitrag. Im Mittelpunkt stehen die sichere und ergonomische Mensch-Roboter-Kooperation
im gemeinsamen Arbeitsraum und die technischen Möglichkeiten zur
Gewährleistung der Arbeitssicherheit. Die vorgestellten Forschungsarbeiten sind Teil des
Projektes „rorarob“ und werden an einem Demonstrator an der TU Dortmund validiert.
SCHLAGWÖRTER Mensch-Roboter-Kooperation / robotergestütztes Assistenzsystem /
Sicherheitstechnik / Ergonomie
Human-Robot-Interaction –
Human Safety in a robot-based assistance system
The paper discusses the development of a multi-robot assistance system to reduce labourintensive
manual handling of heavy parts in welding processes. It focuses on a safe and
ergonomic human-robot-interaction with overlapping workspaces and discusses technical
means to ensure work safety. The research is part of the project "rorarob" and is supported
by a demonstrator at TU Dortmund University. The paper will be presented at VDI Kongress
Automation 2011 and printed in the proceedings.
KEYWORDS Human-Robot-Interaction / robot-based assistance system /
safety technology / ergonomics
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Dipl.-Ing. Carsten Thomas, Prof. Dr.-Ing. Bernd Kuhlenkötter,
Dipl.-Ing. Felix Busch, Prof. Dr.-Ing. Jochen Deuse, TU Dortmund
Schweißen stellt im Maschinen- und Anlagenbau
aufgrund der geringen Stückzahlen bis hin zur
Einzelteilfertigung einen arbeitsintensiven Produktionsprozess
dar. Die Fertigung und Anpassung
der schweren, nur schlecht handhabbaren
und komplexen Rohr- und Rahmengeometrien erfolgt
dabei häufig manuell sowie unter erheblichen körperlichen
Belastungen für die Mitarbeiter. Neben der Schweißaufgabe
muss der Mitarbeiter zusätzliche Aufgaben, wie
das Handhaben und Ausrichten der Bauteile durchführen.
Bei der Arbeit wird der Schweißer durch Restriktionen
seitens der Bauteilgeometrie und der Arbeitsplatzgestaltung
eingeschränkt. Deshalb sind belastende Arbeitssituationen
wie das Schweißen über Kopf, kniende
oder verdrehte Körperhaltungen häufig unvermeidbar.
Die bei Unternehmen durchgeführten ergonomischen
Analysen an manuellen Schweißarbeitsplätzen haben
bestätigt, dass die körperliche Belastung im Vergleich zu
anderen Tätigkeiten deutlich erhöht ist [4]. Neben der
Belastung für den Mitarbeiter kann das Schweißen in
Zwangslagen auch zu einer geringeren Schweißnahtqualität
führen oder Nachbearbeitungen aufgrund nicht
eingehaltener Toleranzvorgaben erfordern.
Um die ergonomischen Bedingungen derartiger Arbeitssituationen
zu verbessern und den Prozess zu optimieren,
wird im Rahmen des Forschungsprojektes
„rorarob“ ein Roboterassistenzsystems entwickelt, das
in der Lage ist, in einer direkten Mensch-Roboter-Kollaboration
Schweißaufgaben zu erfüllen [1], [2], [3]. Das
robotergestützte Assistenzsystem soll dem Mitarbeiter
die Bauteile in einer ergonomisch günstigen und korrekten
Anordnung bereitstellen, sodass die Schweißnaht
durch das Mehrrobotersystem an der Schweißposition
bewegt wird.
1. Stand der Technik
Die Industrie benötigt neue automatisierte und flexible
Produktionssysteme, die eine direkte Integration der
menschlichen Arbeitskraft ermöglichen. Eine Vielzahl
an Forschungsarbeiten befasst sich mit roboterbasierten
Assistenzsystemen. Beispiele sind LISA [2], Assistor
[3] oder Roboter für Montageaufgaben [4]. Diese Systeme
wurden für geringe Gewichte und Kräfte sowie eine
hohe Mobilität entwickelt. Im Projekt RAAS wurde ein
Roboterarm konstruiert, der für die Positionierung von
Schweißbaugruppen geeignet ist [5]. Der Roboter positioniert
das Blech und der menschliche Bediener führt
im Anschluss die Schweißaufgabe durch. Die DLR entwickelt
einen Leichtbauroboter für eine direkte
Mensch-Roboter-Interaktion mit einer menschähnlichen
Armkinematik [6].
Die wichtigste Voraussetzung für den Einsatz von Industrierobotern
in überlappenden Arbeitsräumen ist,
dass beide Partner in keinem Fall verletzt oder beschädigt
werden können. Die aktuellen Normen DIN EN ISO 10218-
1 [7] und der Normentwurf DIN EN ISO 10218-2 [8] ermöglichen
erstmals solche Hybridsysteme.
2. Optische Arbeitsraumüberwachung
Roboter werden fast ausschließlich in vollautomatisierten
Prozessen eingesetzt. Die schnellen Bewegungen der
Roboter stellen für Menschen ein hohes Gefährdungspotenzial
dar, sodass Mensch und Roboter räumlich getrennt
werden. Durch eine geänderte Normungslage sowie
technische Fortschritte wurden in den letzten Jahren
Weiterentwicklungen zu einer direkten Mensch-Roboter-
Kooperation (MRK) ermöglicht.
Diese Kollaboration lässt sich in unterschiedlichen
Modi ausführen. Entscheidende Kriterien sind die räumliche
Trennung des gemeinsam von Mensch und Roboter
genutzten Arbeitsraumes sowie die zeitliche Trennung
( BILD 2). Nachfolgend werden die MRK-Modi beschrieben
und verschiedenen Prozessschritten des robotergestützten
Schweißassistenzsystems zugeordnet.
Der MRK-Modus 2 ist sicherheitstechnisch ähnlich
einer rein manuellen Fertigung (Modus 1). Im Modus 2
ist ausschließlich der Mitarbeiter aktiv in den Prozess
eingebunden. Das Robotersystem hingegen ist zwar pro-
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Hauptbeitrag | Automation 2011
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)
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3. Sicherheitskonzept
Zur Handhabung von Rohr- und Rahmenkonstruktionen
in Schweißanwendungen sind Roboter mit hohen
Traglasten und Reichweiten erforderlich. Große Roboter
weisen hohe bewegte Massen und Geschwindigkeiten
auf und sind so durch die hohe kinetische Energie ein
großes Gefahrenpotenzial für Menschen. Folglich ist
das Assistenzsystem so zu gestalten, dass eine Kollision
zwischen Mensch und Roboter zu jedem Prozessschritt
ausgeschlossen werden kann.
Um den Arbeitsraum in einer von Mensch und Roboter
zeitparallel genutzten Schweißzelle abzusichern und so
eine direkte Mensch-Roboter-Kollaboration zum Schweißen
von Rohr- und Rahmenkonstruktionen zu ermöglichen,
wird mit Partnern der Industrie an der TU Dortmund
ein Konzept zur optischen Überwachung des
Arbeitsraums erprobt. Der Arbeitsraum wird im Projekt
mit dem Safety Eye realisiert, dessen Sicherheits-SPS im
Falle einer Warn- oder Schutzraumverletzung digitale
Signale ausgibt. Diese Signale werden genutzt, um Überwachungsfunktionen
der sicheren Robotersteuerung zu
aktivieren oder einen Einfluss auf das Programm des
Roboters zu nehmen, wie zum Beispiel die Reduktion
der Bewegungsgeschwindigkeit oder das Stoppen des
Assistenzsystems. Die Robotersteuerung kann auch die
Konfiguration des Safety Eyes umschalten.
Im folgenden Absatz werden im Projekt verwendete
Layoutvarianten für eine sichere Mensch-Roboter-Kooperation
dargestellt und anhand der in BILD 2 beschriebenen
Modi 3 und 4 erläutert.
BILD 3 zeigt im linken Teil die Draufsicht auf den
realen Demonstrator. Die Handhabungsroboter bewegen
sich zur Bauteilbereitstellung, um dort die ersten
beiden Bauteile der zu schweißenden Baugruppe aufzunehmen.
Da sich die Roboter in diesem Modus mit
normaler Geschwindigkeit bewegen, muss sichergestellt
sein, dass sich kein Mensch im zulässigen Bewegungsraum
des Roboters aufhält. Nachdem der Mitarbeiter
außerhalb der Raumanordnung seine Position
BILD 3:
Abbildung des
Demonstrators und
Konfiguration des
Safety Eyes einer
räumlich getrennten
Mensch-Roboter-
Kooperation
(Modus 4)
BILD 4:
Abbildung des
Demonstrators und
Konfiguration des
Safety Eyes in einer
direkten Mensch-
Roboter-Kooperation
(Modus 3)
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Hauptbeitrag | Automation 2011
quittiert hat, wird die in BILD 3 rechts dargestellte
Konfiguration des Safety Eyes aktiviert. Dies wird
durch das sichere Sensorsystem Safety Eye (Kameraeinheit
oben mittig in BILD 3 links) sichergestellt, das
sich an den schwarz-weißen Kreisen referenziert. Im
rechten Bild ist aus der identischen Perspektive die
gleiche Momentaufnahme des Prozesses aus Sicht des
Safety Eyes dargestellt. Zusätzlich zur Position der Roboter
sind die Warn- und Schutzräume zu sehen. Der
in der Abbildung unten rechts zu sehende Mitarbeiter
hat die Möglichkeit, prozessvorbereitende Tätigkeiten,
wie das Einstellen der Schweißparameter, Anlegen der
persönlichen Schutzausrüstung oder Reinigen seines
Brenners, durchzuführen, während die Roboter die
Bauteile in die Schweißposition bringen.
Eine direkte Mensch-Roboter-Kooperation, in welcher
der Schweißer und das Roboterassistenzsystem
ohne räumliche Trennung zusammenarbeiten, ist in
Bild 4 dargestellt und vergleichbar mit dem Modus 3.
Die Konfiguration des Safety Eyes zeigt der rechte Teil
der Abbildung, wobei sich der Mitarbeiter innerhalb
einer virtuellen Arbeitsraumtrennung befindet. Diese
Konfiguration ist dann erforderlich, wenn weitere,
nicht in das Assistenzsystem eingewiesene, Mitarbeiter
den Arbeitsbereich betreten könnten. Da sich die
Roboter während der Mensch-Roboter-Kooperation im
Modus 3 nur mit einer geringen Geschwindigkeit bewegen
dürfen, kann die Konfiguration der Warn- und
Schutzräume mit geringerer Breite erfolgen. Im Bereich
vor der Bauteilbereitstellung ist zudem ein
Schutzraum definiert. Dieser ist zum Schutz des Prozesses
vor dem Mitarbeiter, damit dieser nicht selbstständig
Bauteile aus der Bereitstellung nimmt. Dies
würde nicht nur den vorgeplanten Prozess behindern,
sondern stellt auch im Falle eines schweißtechnischen
Verbindens mit der Baugruppe eine Kollisionsgefahr
im Prozess dar.
Das robotergestützte Assistenzsystem ermöglicht dem
Schweißer eine ergonomisch günstige, statische
Schweißposition, sodass sich der Mitarbeiter auf die
Schweißaufgabe konzentrieren kann. Die Bewegung der
Schweißnaht entlang der Fügestelle wird durch das
Robotersystem realisiert. Um mit der DIN EN ISO 10218-
2 konform zu sein, dürfen die Bewegungen der Roboter
nicht schneller als 250 mm/s sein. Diese Geschwindigkeit
ist für die Bewegung der Schweißstelle mehr als
ausreichend, wenn zum Beispiel Rohrabschnitte orbital
miteinander verschweißt werden. Schweißprozesse wie
diese sind konform mit der Richtlinie, da sich die Roboterachsen
nur langsam bewegen oder stillstehen.
Beim Umorientieren der zum Teil großen und komplexen
Baugruppen können jedoch deutlich höhere Geschwindigkeiten
erforderlich sein, wenn zum Beispiel
die Ausrichtung der Roboterflansche nicht fluchtend
ist. Derartige Situationen stellen zwar keine Gefährdung
für den Mitarbeiter dar, wenn der Abstand zwischen
dem Schweißer und den sich bewegenden Teilen
groß genug ist, werden von der Norm jedoch nicht berücksichtigt.
Auf der anderen Seite können auch Prozessschritte
mit einer Robotergeschwindigkeit
< 250 mm/s ein Gefährdungspotenzial bieten, wenn
große Bauteile umorientiert werden. Die Erkennung der
Gefahrenstellen muss bereits während der Offline-Programmierung
erfolgen.
Sind bei einer konstanten Bewegung der Schweißnaht
höhere Geschwindigkeiten der Roboter erforderlich,
gibt es zwei Ausweichstrategien beabsichtigt:
Die Bewegungsgeschwindigkeit der Schweißnaht
wird reduziert. Der Schweißer muss sich durch eine
Reduktion der Schweißgeschwindigkeit oder durch ein
Bewegen der Schweißpistole entlang der Schweißnaht
anpassen. Das System verbleibt im Modus 3.
Um den Mitarbeiter vor erhöhten Geschwindigkeiten
der Roboter während der Umorientierung zu schützen,
tritt der Mitarbeiter aus dem Arbeitsbereich des Roboters
zurück und quittiert dies. Die Sicherheitskonfiguration
des Systems wechselt in den Modus 4 mit einer
räumlich getrennten Mensch-Roboter-Kooperation, sodass
die Umorientierung der teilgeschweißten Baugruppe
erfolgen kann, ohne dass der Mitarbeiter im Gefahrenbereich
ist.
Neben dem Schutz vor schnellen Bewegungen des
Robotersystems muss der Mitarbeiter vor Scher- und
Quetschstellen geschützt werden. Diese können zwischen
Armteilen der Roboterkinematik oder zwischen
zwei gegriffenen Bauteilen auftreten. Nach Möglichkeit
sollen Scher- und Quetschstellen im Prozess bereits
während der Planungsphase im Offline-Programmiersystem
vermieden werden. In Rahmen des Projektes
rorarob ist geplant, die zu schweißenden Bauteile
durch die Handhabungsroboter in eine Vorposition
nahe der statischen Schweißposition zu bringen. Die
exakte Positionierung soll dann durch den Mitarbeiter
über eine anwenderfreundliche Mensch-Roboter-
Schnittstelle erfolgen. Dies ist notwendig, um bauteilbedingte
oder prozessbedingte Toleranzen auszugleichen.
Insbesondere während dieser Phase besteht eine
erhöhte Quetschgefahr zwischen den Bauteilen. Um
zu verhindern, dass sich während des Ausrichtens
Extremitäten des Mitarbeiters (z. B. Finger, Hand oder
Arm) im Gefahrenbereich befinden, muss in dieser
Phase eine sichere Position der Extremitäten sicher
gestellt sein. Technisch ist die Nutzung von Zustimmschaltern
vorgesehen.
4. Prospektive Planung durch Offlinesimulation
Für die Planung und Programmierung von automatisierten
Systemen, wie Roboterzellen, ist Software zur Offline-
Programmierung und Simulation der Anlagen weit verbreitet.
Um nun hybride Systeme mit einer direkten Kooperation
zwischen Mensch und Roboter in einer solchen
Simulationsumgebung abbilden zu können, muss diese
um ein digitales Menschmodell erweitert werden. Erst
dies ermöglicht es dem Anwender, eine Simulation des
gesamten Systems, einschließlich der menschlichen Kinematik,
durchzuführen, um Kollisionsgefahren und
weitere ergonomische Aspekte, wie belastende Körperhaltungen
des Mitarbeiters, zu analysieren und zu bewerten.
Die im beschriebenen Projekt verwendete Offline-Programmiersoftware
ist Famos, entwickelt von Carat Ro-
58
atp edition
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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7-8 / 2011
59
Hauptbeitrag | Automation 2011
botic Innovation GmbH (www.carat-robotic.de). Bisher
ist diese Software in der Lage, Roboter-Anwendungen in
einer virtuellen Arbeitsumgebung abzubilden und zu
simulieren. Der innerhalb des Projektes verfolgte Ansatz
ist, ein „Character Animation System“ (CAS) aus der Unterhaltungsindustrie
zu verwenden, um ein bewegtes
Menschmodell in die bestehende Lösung zu integrieren
(BILD 5). In diesem Fall wird EmotionFX von MGD
(www.mysticgd.com) verwendet, ein CAS welches für
Videospiel-Anwendungen entwickelt wurde.
Die Hauptaufgaben, die das Menschmodell in der
Offline-Programmierung der hybriden Mensch-Roboter-Zelle
übernehmen soll, sind die Vermeidung von
Kollisionen und die Bewertung der ergonomischen
Bedingungen während der Bewegungssequenz beziehungsweise
der Bahnplanung. Um zu verhindern, dass
der Mitarbeiter durch direkten Kontakt zwischen dem
Roboter einem Verletzungsrisiko ausgesetzt wird, müssen
in der Bahnplanung bereits prospektiv die Bewegungen
des Mitarbeiters während des Schweißens
berücksichtigt werden. Mit einem Menschmodell in
der Offline-Programmierumgebung ist es möglich, den
Bewegungspfad der Roboter mit den Bewegungen des
Mitarbeiters abzustimmen, um so eine sichere und
bewegungsökonomische Mensch-Roboter-Kooperation
sicherzustellen.
Neben der Vermeidung von unmittelbaren Gefahren
ist zusätzlich die langfristige Erhaltung der Gesundheit
und Arbeitskraft des Mitarbeiters durch frühe ergonomische
Analyse zu gewährleisten. Zusätzlich zur Simulation
der menschlichen Bewegungen, einschließlich
der anthropometrischen Anpassung des Modells, wird
ein ergonomisches Bewertungsverfahren zur Beurteilung
der auf den Mitarbeiter wirkenden Belastung bei
der Arbeitsausführung in die Offline-Programmierumgebung
integriert.
Eine dieser Bewertungsmethoden ist das Owako Work
Analyse System (OWAS) [14]. Die Methodik beinhaltet
insgesamt 252 mögliche Kombinationen aus Haltung
und Belastung, unterteilt in vier Rückenhaltungen, drei
Armhaltungen und sieben Beinstellungen mit jeweils
drei Lastdimensionen. Innerhalb der Simulation kann
aus den Gelenkpositionen des Modells die Körperhaltung
zu jedem Zeitpunkt identifiziert werden und in
einen Haltungscode überführt werden (Bild 6).
Die Gelenkkoordinaten und Bewegungsdaten können
aus der Simulation extrahiert werden. Mit diesen
Informationen ist es möglich, über die Haltungsart
und -zeit eine Bewertung nach der OWAS-Methodik
abzuleiten. Systematisch wird dabei die Zeitdauer
der einzelnen Körperhaltung in der gesamten analysierten
Bewegungssequenz ermittelt und die resul-
Referenzen
[1] Thomas, C., Busch, F., Kuhlenkötter, B., Deuse, J.: Safe and
Ergonomic Collaboration of Humans and Robots for Welding
of Assemblies. In: Proceedings of 3rd CIRP Conference on
Assembly Technologies and Systems (CATS) 2010 “Responsive,
customer demand driven, adaptive assembly”, 01.
–03.06.2010, Trondheim (Norwegen), S. 121–125
[2] Thomas, C., Kuhlenkötter, B.: Sichere und kollaborierende
Mensch-Roboter-Interaktion – Entwicklung eines robotergestützten
Assistenzsystems für das Handling im Schweißprozess.
In: Internationales Forum Mechatronik (IFM) 2010
Conference volume, 03./04.11.2010, Winterthur (Schweiz)
[3] www.autonomik.de, Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie (18.04.2011)
[4] Busch, F., Deuse, J.: Ergonomische Bewertung von
manuellen Schweißarbeitsplätzen mittels Automotive
Assembly Work Sheet (AAWS). In: 57. Arbeitswissenschaftlicher
Kongress, Gesellschaft für Arbeitswissenschaft, 23.
–25.03.2011, Chemnitz, GfA-Press, S. 585–588
[5] Fritzsche M., Schulenburg E., Elkmann N., Girstl A., Stiene
S., Teutsch, C.: Safe Human-Robot Interaction in a Life
Science Environment, Proc. of the IEEE International
Workshop on Safety Security and Rescue Robotics, 2007
[6] Schraft, R. D., Helms, E., Hans, M., Thiemermann, S.:
Man-Machine-Interaction and Co-Operation for Mobile and
Assisting Robots, Proceedings of EIS 2004
[7] Reinhart, G., Roesel, W.: Interactive Robotassistant in
Production Environments – Safety Aspects in Human-
Robot Cooperation. In: Zeitschrift für wirtschaftlichen
Fabrikbetrieb Jahrgang 105, 2010, S. 80–83
[8] Hueppi, R., Grueninger, R., Nielsen, E.: Effizienter
Robotereinsatz schon bei kleineren und mittleren Serien.
Proceedings ifm 2006 Mechatronic-Cluster Clusterland
Oberösterreich GmbH, Linz, 2006
[9] Albu-Schaeffer, A., Haddadin, S, Ott, Ch., Stemmer, A.,
Wimkoeck, T., Hirzinger, G.: The DLR lightweight robot:
design and control concepts for robots in human environments.
In: Industrial Robot: An international Journal, Vol.
34 (5), 2007, S. 376–385
[10] Beumelburg, K.: Fähigkeitsorientierte Montageablaufplanung
in der direkten Mensch-Roboter-Kooperation.
Dissertation, Institut für industrielle Fertigung und
Fabrikbetrieb, Universität Stuttgart, 2005
[11] Thiemermann, S.: Direkte Mensch-Roboter-Kooperation in
der Kleinteilemontage mit einem SCARA-Roboter.
Dissertation, Institut für industrielle Fertigung und
Fabrikbetrieb, Universität Stuttgart, 2005
[12] DIN EN ISO 10218, Teil 1: Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen
– Teil 1: Roboter. Beuth Verlag, Berlin, 2009
[13] DIN EN ISO 10218, Teil 2: Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen
– Teil 2: Robotersystem und Integration. Beuth
Verlag, Berlin, 2008
[14] Mattila, M.: Analysis of working postures in hammering
tasks on building construction sites using the computerized
OWAS method, Applied ergonomics; 24/6, S. 405, 1993
60
atp edition
7-8 / 2011
tierende Belastung auf den Bewegungsapparat für
Rücken, Arme und Beine ermittelt. Im Anschluss
können daraus abgeleitete Korrekturmaßnahmen,
zum Beispiel bezogen auf die aktuelle Bahnplanung,
durchgeführt werden.
5. Fazit
Ziel des Projektes ist es, eine industriell anwendbare
Lösung für die Kombination der Fähigkeiten von
Mensch und Robotern zu entwickeln. Um dies zu erreichen,
ist es notwendig, Sicherheitskonzepte für überlappende
Arbeitsräume mit nicht trennenden Schutzeinrichtungen
aufzubauen und aus den bestehenden
Insellösungen heraus zu kombinieren. Die Umsetzung
der Lösung in einem Demonstrator an der TU Dortmund
verlief bisher mit großem Erfolg und zeigte hinsichtlich
der Eignung für den Einsatz bereits einen
hohen Reifegrad der eingesetzten technischen Lösungen.
Es zeigte sich auch, dass die Norm DIN EN ISO 10218-
1 und der Normentwurf DIN EN ISO 10218-2 zwar nun
die verschiedenen Möglichkeiten und Grenzen einer
Mensch-Roboter-Kooperation definieren, für eine industriell
nutzbare Lösung jedoch insbesondere die maximale
Geschwindigkeit von 250 mm/s, die derzeit für
eine direkte Kooperation vorgeschrieben ist, in Bezug
auf einen sicheren Betrieb noch differenzierter analysiert
werden muss.
Manuskripteingang
00.00.2010
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet
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),
Leonhard-Euler-Str. 5, D-44227 Dortmund,
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),
Leonhard-Euler-Str. 2, D-44227 Dortmund,
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),
Leonhard-Euler-Str. 5, D-44227 Dortmund,
Tel. +49 (0) 231 755 26 52,
E-Mail: sekretariat.aps.mb@tu-dortmund.de
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Hauptbeitrag | Automation 2011
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
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atp edition
7-8 / 2011
Josef Prinz, INPRO
Arndt Lüder, Otto-v.-Guericke Universität Magdeburg
Nico Suchold, IFAK
Rainer Drath, ABB AG
AutomationML ist ein Datenaustauschformat für
die konsistente Weitergabe von Planungsdaten
im Engineering von Produktionssystemen. AutomationML
ermöglicht die Abbildung von
Anlagenstrukturen, Geometrien, Kinematiken
und Verhalten von Anlagenkomponenten. Anlagenbeschreibungen
im AutomationML-Format sind hierarchische
Objektstrukturen, die alle Anlagenelemente, wie
Linien, Zellen, Funktionseinheiten, bis zu integrierten
Komponenten und Geräten, sowie deren Schnittstellen
umfassen. Informationsflüsse, Energieflüsse oder
Stoffflüsse werden über Relationen zwischen den
Schnittstellen abgebildet, charakteristische Merkmale
von Anlagenelementen über zugeordnete Attribute beschrieben.
Die Verfeinerungstiefe einer Objekthierarchie und die
Struktur einzelner AutomationML-Objekte sowie die
beschreibenden Attribute sind abhängig von der jeweiligen
Planungsphase und dem erreichten Detaillierungsgrad
der geplanten Anlage. Durch objektorientierte Beschreibungskonzepte
sind konsistente iterative Verfeinerungen
und Spezifizierungen möglich. Die Autoren
stellen ein Konzept vor, wie mit AutomationML neben
Objekten auch Merkmale abgebildet werden können.
Dies erfolgt beispielhaft für mechatronische Objekte und
ermöglicht die Beschreibung eines mechatronischen
Systems über den gesamten Lebenszyklus.
1. Daten mechatronischer Objekte im Engineering
Der Begriff der Mechatronik entstand in den 70er-Jahren
als Synonym für die Integration von Mechanik und Elektronik
zu einem ganzheitlich entworfenen Produkt [1]. Seit
dieser Zeit wurden weitere Technologiebereiche in den
Mechatronikbegriff integriert, sodass Mechatronik heute
als Synonym für die Betrachtung aller relevanten Entwurfsdisziplinen
und Technologien im Rahmen eines Entwurfs-
beziehungsweise Engineeringprozesses steht [2].
Diesem Gedanken folgend wurden in diversen Arbeiten
Vorgehensweisen zum mechatronischen Entwurf
von Systemen beschrieben [2 bis 5] und in Standards
überführt [6]. In allen diesen Arbeiten werden mechatronische
Systeme und die sie bildenden mechatronischen
Einheiten ähnlich definiert. Grundlage ist dabei
immer die Kombination von mechanischen, elektrischen
und informationsverarbeitenden Systemen. Dementsprechend
ist eine mechatronische Einheit eine gezielte,
gegebenenfalls hierarchische Kombination aus
mechanischen, elektrischen und informationsverarbeitenden
Bestandteilen zur Lösung eines spezifischen
Problems oder zur Erbringung spezifischer Funktionalitäten.
Ein mechatronisches System wird durch die
hierarchische Kombination von mechatronischen Einheiten
gebildet.
Jede mechatronische Einheit und damit jedes mechatronische
System lässt sich über die für diese Einheit
beziehungsweise dieses System charakteristischen
Eigenschaften beschreiben. Diese charakteristischen
Eigenschaften bilden gezielte Abstraktionen
der realen mechatronischen Einheiten / Systeme und
können in weiten Bereichen gemäß [7] als Merkmale
aufgefasst werden. Die für mechatronische Einheiten
/ Systeme charakteristischen Eigenschaften umfassen
den gesamte Lebenszyklus und damit alle in ihm relevanten
Informationen einschließlich konstruktiver
und anwendungsspezifischer Informationen der verschiedenen
Gewerke. Die Herausforderung bei der Anlagenplanung
im Vergleich zu der klassischen CAD-
Konstruktion besteht in der größeren Anzahl von
Merkmalen und zum Teil komplexen Abhängigkeiten
der Merkmale untereinander. Nach [2, 4] können diese
Eigenschaften und Merkmalsmengen wie in Bild 1
dargestellt klassifiziert werden.
Die topologischen Informationen umfassen charakteristische
Eigenschaften zur Beschreibung der hierarchischen
Struktur von Anlagen. Die steuerungstechnischen
Informationen beinhalten Eigenschaften und Merkmale
zum gesteuerten Verhalten, Steuerungssignale, SPS-Programmorganisationseinheiten,
Kommunikationssystemstrukturen,
Kommunikationssystemparameter und andere.
Demgegenüber enthalten die funktionsbeschrei-
atp edition
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63
Hauptbeitrag | Automation 2011
benden Informationen Eigenschaften und Merkmale zu
den Funktionalitäten der mechatronischen Einheit wie
funktionale Parameter, Beschreibungen technologischer
Prozesse und Beschreibungen des Verhaltens. Die mechanischen
Informationen umfassen Eigenschaften und
Merkmale der gesamten mechanischen Konstruktion mit
Geometrie und Kinematik, die elektrischen, pneumatischen
und hydraulischen Informationen beinhalten Eigenschaften
und Merkmale der elektrischen, pneumatischen
und hydraulischen Konstruktion mit Rohrleitungs-
und Verkabelungsplänen sowie Verbindungslisten.
Betriebswirtschaftliche Informationen umfassen
Merkmale zur betriebswirtschaftlichen Nutzung der
mechatronischen Einheit wie Sachnummern, Informationen
zum Hersteller, Kosten, Flächenbedarf und ähnliches.
Die letzte Klasse bilden sonstige technische Informationen.
Sie beinhalten Zusatzinformationen in
Bedienungs-, Installations- oder Wartungsanleitungen
sowie technische Daten wie Material, Gewicht oder Leistungsaufnahme.
Nicht alle charakteristischen Eigenschaften mechatronischer
Einheiten können Merkmalen zugeordnet
werden. Beispielsweise kann die Existenz einer spezifischen
Programmeinheit zur Steuerung einer mechatronischen
Einheit als Merkmal aufgefasst werden, wohingegen
die Programmeinheit selbst und ihre Programmierung
nicht eindeutig als Merkmale aufzufassen sind.
Zudem können einzelne Merkmale mehreren Informa-
Steuerungstechnische
Informationen
Signale
SPS Programmorganisationseinheiten
…
Mechanische
Informationen
3D CAD
Kinematik
…
Elekrtr., Pneum.,
Hydraul. Informationen
Verkabelung
Verbindungen
Rohrleitungen
...
Topologische
Informationen
Anlagen- und
Geräteaufbau
Layout
Schnittstellen
Mechatronische
Einheit
Funktionsbeschreib.
Informationen
Funktionsbeschreibungen
Funktionale Parameter
Technologische Prozesse
….
Betriebswirtschaftliche
Informationen
Herstellerangaben
Artikelnummer
Preis
…
Sonstige techn.
Informationen
Gewicht
Energieverbrauch
techn. Dokumentation
BILD 1: Informationsmengen zur Beschreibung
einer mechatronischen Einheit
BILD 2: CAEX-Rollenkonzept nach [8]
RoleClassLibs
AutomationML-
BaseRole
AutomationML-
BaseRoleClassLib
…
Property-
Set
Commercial
Administrative
Technical
…
…
Mechanical
Electrical
Functional
AutomationML-
PropertySetRoleClassLib
Robot-
Mechanical
Robot-
Technical
Robot-
Functional
UserDefined-
PropertySet-
RoleClassLib
Geltungsbereich
Automation Engineering
(generell)
Mechatronische Einheiten
(generell)
spezifisch
BILD 3: Rollenbibliotheken und Gültigkeitsbereiche
BILD 4: Verwendung der PropertySet-Rolle und Anpassung
an Anforderungen konkreter Katalogobjekte
64
atp edition
7-8 / 2011
tionsmengen dieser Klassifikation zugerechnet werden.
So kann ein Flächenbedarfsmerkmal in der mechanischen
Konstruktion und auch in der betriebswirtschaftlichen
Sichtweise sinnvoll genutzt werden. Beide Probleme
stellen jedoch keinen Widerspruch zur nachfolgenden
Nutzung der Merkmale im Engineering dar. Im
Gegenteil, der bewusste Einsatz von Merkmalen ermöglicht
weitreichende Vorteile.
2. Durchgängigkeit durch AutomationML Rollen
Rollen sind ein Schlüsselkonzept von CAEX und wurden
zur herstellerunabhängigen Planung von Anlagen entwickelt.
Neben Objektinstanzen und SystemUnit-Klassen
stellen Rollenklassen eine dritte Säule der objektorientierten
CAEX-Konzepte dar. Instanzen beschreiben individuelle
Planungsobjekte, beispielsweise einen „Roboter21“,
während SystemUnit-Klassen Typen konkreter
Anlagenkomponenten eines Herstellers beschreiben und
als Herstellerkatalog verstanden werden können. Rollen
hingegen spielen eine Vermittlerrolle zwischen Instanzen
und SystemUnit-Klassen.
Die Idee hinter dem Rollenkonzept besteht darin, bei
der Anlagenplanung zunächst Objektinstanzen zu erzeugen
und ihnen nur eine Rolle zuzuweisen. Diese
Rolle beschreibt die „Bedeutung“ der Instanz, geht jedoch
nicht auf die technische Implementierung ein.
Dies entspricht einer technischen Grobplanung, die Instanzen
dienen als Platzhalter. Dies fördert das schrittweise
iterative Engineering. Prozesstechnische oder
fertigungstechnische Anlagen lassen sich mit einem
überschaubaren Satz von Rollen planen, ohne konkrete
technische Details planen zu müssen.
Im Rahmen des Planungsfortschritts werden die Instanzen
schrittweise miteinander verknüpft, Anforderungen
spezifiziert und anschließend jeweils eine technische
Implementierung ausgewählt: eine SystemUnit-
Klasse. Eine Rollenbibliothek stellt somit eine Sammlung
bedeutungsbehafteter Platzhalter dar und erlaubt
später eine automatische Interpretation der Funktionen
von Objektinstanzen. Rollen sind herstellerunabhängig
und lassen sich daher standardisieren. Sie bilden somit
ein semantisches Grundgerüst für die Bedeutung von
Objekten beziehungsweise Funktionen und unterstützen
die intuitive Vorgehensweise des Planers.
Bild 2 verdeutlicht dies an einem Beispiel: der Roboter
„RB_100“ (1) wird als CAEX InternalElement in der Instanzhierarchie
platziert. Über eine Assoziation zur Rolle
„Robot“ (2) wird dieser Instanz eine Bedeutung verliehen.
Erst mit einer Zuordnung einer SystemUnit-Klasse
(3) erfolgt die Auswahl eines konkreten Roboters eines
konkreten Herstellers.
Jeder SystemUnit-Klasse kann optional zugeordnet werden,
welche Rolle sie unterstützt. Dies ermöglicht ein explizites
Mapping zwischen herstellerunabhängigen Rollen
und herstellerspezifischen Komponenten. Dieses Mapping
kann beispielsweise genutzt werden, um teilautomatisiert
geeignete Kandidaten aus der SystemUnit-Bibliothek eines
Herstellers für die Erfüllung einer Funktion auszuwählen.
Rollen sind somit ein Schlüssel zur automatischen Interpretation
der Bedeutung von Objekten.
3. Die Rolle PropertySet
Das ursprüngliche Rollenkonzept diente ausschließlich
dazu, die Bedeutung von herstellerspezifischen
Objekten oder Klassen neutral zu beschreiben. Das
vorgestellte Konzept erweitert diese Idee auf Attribute.
Dazu definieren die Autoren die Rolle „PropertySet“.
Ein PropertySet ist eine Gruppe von semantisch und
syntaktisch wohldefinierten Merkmalen für einen bestimmten
Geltungsbereich. Jede dieser Attributgruppen
wird als eigene Rollenklasse modelliert und ist
von der Standard-Rolle „PropertySet“ abgeleitet. Solche
Rollenklassen lassen sich in Rollenbibliotheken
zusammenfassen, wodurch Attributwörterbücher definiert
werden können.
Das Konzept der PropertySets ist die Basis, um relevante
Merkmale von Objekten in einer einheitlichen
Form beschreiben und austauschen zu können. Die
beschriebene AutomationML-PropertySetRoleClass-
Lib deckt allgemeine Merkmalbeschreibungen mechatronischer
Einheiten ab. Erweiterungen und Spezialisierungen
des Geltungsbereichs können von
AutomationML-Anwendern selbst durch Spezialisierungen
der Standardrollen prozess- und domänenspezifisch
oder auch gerätespezifisch in eigenen Rollenbibliotheken
entwickelt werden, wie in Bild 3
beispielhaft dargestellt.
Die Rollenbibliothek der PropertySet-Rollen enthält
eine Sammlung grundlegender Attribute von mechatronischen
Objekten, wie technische, administrative und
kaufmännische Attribute. Der Aufbau der Rollenbibliothek
ist so gewählt, dass über die hierarchische Ordnungsstruktur
eine Kategorisierung der Merkmale vorgenommen
wird. In dieser Struktur sind die Informationsaspekte
eines mechatronischen Systems [4], die in
Abschnitt 1 erläutert wurden, enthalten.
In einer PropertySet-Rolle werden einzelne Merkmale,
oder eine Gruppe von Merkmalen definiert. Merkmale
einer PropertySet-Rolle werden der Rolle über
CAEX-Attribute zugeordnet. Bei der Definition der Attribute
von PropertySet-Rollen werden dort, wo es möglich
ist, SI-Einheiten eingesetzt. Bei der Verwendung
einer Rolle kann eine Selektion der benötigten Attribute
erfolgen (Bild 4). Ein Kostenmerkmal könnte zum
Beispiel über einen Wert in Euro oder alternativ über
einen Faktor angegeben werden, in der realen Komponente
wird aber nur der Euro-Wert benötigt. Dieselbe
Rolle kann mehrfach verwendet werden, um beispielsweise
mehrere Preise abzubilden oder eine Unterscheidung
zwischen unterschiedlichen Gewichtsangaben
wie dem Gesamtgewicht und der zulässigen Achslast
eines Objektes zu treffen.
Die Entwicklung von SystemUnit-Klassen für den Aufbau
von Merkmalsgruppen mit einer Kombination verschiedener
PropertySet-Rollen ist möglich. Damit können
Eigenschaften einer spezifischen Kategorie von
Komponenten (eine Geräteklasse) einheitlich definiert
werden.
Rollen unterstützen die iterative Vorgehensweise in
der Planung und die schrittweise Spezifizierung von
abstrakten und generischen Konzepten und Objekten
zu konkreten und spezifischen Objekten. Auch die in
atp edition
7-8 / 2011
65
Hauptbeitrag | Automation 2011
der Planung verwendeten Objektbibliotheken spiegeln
die schrittweise Vorgehensweise wider. In der Grobplanung
werden Bibliotheken mit generischen Komponenten
verwendet, wohingegen Bibliotheken in der
Konstruktion und Inbetriebnahme, Modelle realer
Komponenten enthalten.
Objekte, die in einer vorgelagerten Planungsstufe
verwendet werden, enthalten in der Regel Anforderungsdefinitionen,
die erst in einem folgenden Planungsschritt
konkretisiert werden. Verknüpft man die
Anforderungsdefinitionen mit standardisierten Rollen
entsteht aus einer allgemeinen Beschreibung eine formale
Spezifikation. Auf Basis dieser Spezifikation kann
im nachfolgenden Planungsschritt die Selektion spezifischer
Bibliotheksobjekte erfolgen. Diese Objekte
können in einzelnen Details wieder nur grob beschrieben
sein und eine weitere Spezifizierung durch konkretere
Objekte verlangen. Dieser Prozess ist in Bild 5
schematisch dargestellt.
Mit dieser Art der Anforderungsdefinition ist es möglich,
die Umsetzung einer Eigenschaft über den gesamten
Planungsprozess zu verfolgen. Beispielsweise kann eine
geometrische Eigenschaft, wie der Platzbedarf von der
ersten groben Anforderung bis zum mechanischen und
elektrischen Einzelteil konsistent weitergereicht werden,
wenn die entsprechende Eigenschaft mit derselben PropertySet-Rolle
charakterisiert ist. In der ausgewählten
Komponente kann die Anforderung auf untergeordnete
grob spezifizierte Elemente weiterverteilt werden, die
ihrerseits die Anforderungen durch Zuweisung konkreterer
Elemente erfüllen.
Wird eine Rolle von einem Bibliotheksobjekt unterstützt,
wird das CAEX-Element SupportedRoleClass verwendet.
Wird eine Anforderung mittels einer Rolle spezifiziert,
wird das CAEX-Element RoleRequirements
verwendet. Bild 6 enthält eine Darstellung der verwendeten
CAEX-Elemente.
PropertySets unterstützen den Datenaustausch zwischen
verschiedenen Planungssystemen. Über ein Mapping
können Zuordnungen zwischen proprietären, systemspezifischen
Eigenschaften und standardisierten
Eigenschaften der vordefinierten Rollenbibliothek gemacht
werden. CAEX stellt dazu ein spezielles Mapping-
Objekt zur Verfügung. Ein Datenimporter, der eine AutomationML
formatierte Datei erzeugt, kann mit Hilfe
des Mapping-Objekts und den standardisierten PropertySet-Rollen
diese Zuordnungen erzeugen, wie in Bild 7
schematisch dargestellt ist.
Das Mapping auf ein anderes Merkmalssystem (zum
Beispiel Prolist [10]) würde in genau derselben Weise funktionieren.
Das Mapping in CAEX ist auf eine Namenszuordnung
eingeschränkt, Einheitenkonvertierungen oder
andere Umrechnungen sind Leistungen der verwendeten
Softwaretools. Durch die Verwendungen von SI-Einheiten
in der Definition der Standardrollen kann zumindest eine
Einheitenumrechnung automatisch erfolgen.
Planungsobjekt
kt
Anforderung durch Rolle
definiert
Spezifizierung
im nächsten
Schritt
unterstützte Rolle
Planungsobjekt
kt
Anforderung durch Rolle
definiert
Spezifizierung
im nächsten
Schritt
unterstützte Rolle
Planungsobjekt
kt
Anforderung durch Rolle
definiert
Spezifizierung
im nächsten
Schritt
SystemUnitClass:
MechatronicUnit
InternalElement:
Electrical Part
RoleRequirement:
„PropertySet/…/Size“
Gefordertes
Merkmal
SupportedRoleClass:
„PropertySet/…/Size“
Erfülltes
Merkmal
generisch …….. konkret
InternalElement:
Electrical Part
RoleRequirement:
„PropertySet/…/Size“
Gefordertes
Merkmal
Planungsstandard
Mechatronische Komponenten
Geräte
Funktion und
Struktur
Merkmale
Erfüllte Merkmale
Mechanische
Baugruppen
Merkmale
Elektrische
Baugruppen
Merkmale
Steuerung
Merkmale
Erfüllte Merkmale
BILD 6: Struktur einer Mechatronischen Einheit
in einer Planungsbibliothek
Konzeption …….. Realisierung
BILD 5: Unterstützung der schrittweisen Spezifizierung durch Rollen
66
atp edition
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4. Verwandtschaften zu Merkmalsystemen
Wie bereits erwähnt, ist die Beschreibung von Geräten
und Systemen auf Basis von Merkmalen mittlerweile
Stand der Technik. Das Handling, die Strukturierung und
die Klassifizierung dieser Merkmale werden in standardisierten
Merkmalsystemen beschrieben. Die Normreihe
IEC 61360 und ISO 13584 haben dabei eine besondere
Bedeutung. Sie bilden die strukturelle Basis für die Merkmalsysteme
[9], vor allem für ecl@ss und Prolist [10]. Die
Ordnung der Inhalte wird dabei in Form von Merkmalsleisten
beschrieben, welche in der Praxis als lineare Zusammenstellung
von Merkmalen verstanden werden und
in der Namur-Empfehlung NE 100 und der Norm IEC
61987-1 detaillierter beschrieben ist [11]. Insbesondere die
Typisierung von Merkmalsleisten zur Berücksichtigung
und Unterscheidung administrativer (AML; nicht zu verwechseln
mit AutomationML), kommerzieller (KML),
geräte- (GML) und umgebungsspezifischer (BML) Merkmalsaspekte
spielt in der Praxis eine bedeutende Rolle.
Neben den verschiedenen Aspekten der Merkmalsleisten
gibt es mit dem Konzept der Blockstruktur eine weitere
Möglichkeit, die Überschaubarkeit, ab einer gewissen
Anzahl von Merkmalen, in einer Merkmalsleiste zu gewährleisten.
Ein Block ist dabei nach Empfehlung der
Namur (NE 100) eine „ … Zusammenfassung von Merkmalen,
die eine Abstraktion einer komplexen Eigenschaft
eines Gerätetyps beschreiben.“ [11]
Ein Merkmal hat charakterisierende Attribute. Die
Kennung ist eine eindeutige Identifikation eines Merkmals,
weil in unterschiedlichen Domänen und sprachabhängig
die Benennung variieren kann. Die Bedeutung
des Merkmals wird durch die Definition und/oder einen
Verweis auf eine Norm oder andere Quelle festgelegt. Die
quantitative Aussage ist in einer Werteliste und dem
Werteformat hinterlegt, die durch die Maßeinheit vervollständigt
wird. Die Normreihe IEC 61360 beschreibt
weitere Attribute wie Formelzeichen, Symbol oder Beziehung
zu anderen Merkmalen.
Es gibt eine Vielzahl von standardisierten Merkmalsystemen
für verschiedene Aspekte von zumeist industriellen
Produkten (das heißt Betriebsmitteln, zum Beispiel Elektrogeräte
und Materialien, mechanische Konstruktionselemente).
Entstanden sind diese Merkmalsysteme zur Unterstützung
für die elektronische Abwicklung von Beschaffungsprozessen
und um eine gemeinsame Sprache zur
Kunden-Lieferanten-Kommunikation zu etablieren. Ein
besonderer Wert liegt in der Definition und damit semantisch
eindeutigen, produktunabhängigen Festlegung tausender
Merkmale, die die Eigenschaften der Betriebsmittel
abbilden. Dadurch können diese standardisierten Merkmale
auch in Engineering-Lebenszyklusphasen außerhalb des
Beschaffungsprozesses eingesetzt werden und bieten insbesondere
CAE-Integratoren (zum Beispiel Systemhersteller,
Planungsdienstleiser) großes Potenzial, den Austausch
von Planungsinformationen effizienter zu gestalten.
SystemUnitClass: Robot
Attribute: Weight
InternalElement:
PropertySet
BILD 7:
Attribut-Mapping
MappingObject
RoleRequirement :
RoleClassRef: PropertySet
Weight
Gewicht
Attribute: Gewicht
Basic
Engineering
•AML
•BML
•GML
•KML
Anfrage
•AML
•BML
•GML
•KML
Angebot
•AML
•BML
•GML
•KML
Auswahl
•AML
•BML
•GML
•KML
Detail
Engineering
•AML
•BML
•GML
•KML
BILD 8: Nutzung der
Typen von Merkmalsleisten
im Projektfortschritt
[11]
atp edition
7-8 / 2011
67
Hauptbeitrag | Automation 2011
So werden bereits bei einigen Herstellern die Produktdatenbanken
auf der Basis von Merkmalen aufgebaut, um die
engen Beziehungen zwischen der technischen Dokumentation,
der Produktion und den Bestellvorgängen besser
handhaben zu können. Beispiele dafür sind die Auslegung
von Kommunikationsnetzwerken auf der Basis der Merkmale
der Kommunikationsteilnehmer (wie unterstützte
Baudraten, Antwortzeiten und Datenlängen von Mess-,
Steuerungs- und Stellgeräten), die Ermittlung der Taktzeit
von Fertigungszellen auf der Basis der Merkmale der eingesetzten
Betriebsmittel und des Fertigungsprozessablaufes.
Das in den Abschnitten 1 und 3 behandelte Konzept
zur Beschreibung mechatronischer Objekte baut darauf
auf und unterstützt neben einem strukturierten Vorgehen
bei der Planung auch die semantisch validierte Beschreibung
und den Austausch dieser Planungsobjekte [12].
Unabhängig vom Anwendungsfeld verfolgt die Idee der
Rolle „PropertySet“ den gleichen Grundgedanken wie
die Merkmalsysteme ecl@ss und Prolist, nämlich die
Nutzung und Verbreitung standardisierter technischer
Daten in Form von Merkmalen. Die Verwendung der Rolle
„PropertySet“ unterstützt dabei den Umgang mit standardisierten
Merkmalsystemen teilweise in struktureller
und auch in semantischer Hinsicht. Die durch das Rollenkonzept
implizierte Klassifikation lässt sich auf
oberster Ebene der AutomationML-PropertySetRole-
ClassLib auf die Typisierung der Merkmalsleisten abbilden.
In den darunter liegenden Ebenen wird die Verfeinerung
der Merkmale durch generelle oder spezifische
Rollen ähnlich der Bildung von Merkmalsleisten mit
Blockstruktur abgebildet. Ein Teil der in der IEC 61360
beschriebenen Attribute, die ein Merkmal mit einer
quantitativen Aussage belegen, finden sich ebenfalls im
AutomationML Rollenkonzept wieder und können somit
genutzt werden, um die Ausprägung der Merkmale zu
beschreiben.
Referenzen
Autoren
[1] M. Tomizuka: Mechatronics: from the 20th to 21st Century, Control
Engineering Practice, Vol.10, no.8, pp.877-886, Aug. 2004
[2] A. Lüder, L. Hundt, M. Foehr, T. Wagner, J.-J. Zaddach: Manufacturing
System Engineering with Mechatronical Units, 15th IEEE International
Conference on Emerging Technologies and Factory Automation
(ETFA 2010), Bilbao, Spain, September 2010, Proceedings-CD
[3] M. Gehrke: Entwurf mechatronischer Systeme auf Basis von Funktionhierarchien
und Systemstrukturen, Promotion, Paderborn, Oktober 2005
[4] J. Kiefer: Mechatronikorientierte Planung automatisierter Fertigungs -
zellen im Bereich Karosserierohbau, Promotion, Univ. des Saarlandes,
Saarbrücken, 2007
[5] K. Thramboulidis: “Challenges in the Development of Mechatronic
Systems: The Mechatronic Component”, 13th IEEE Int. Conf. on Emerging
Technologies and Factory Automation (ETFA’08), Sept. 2008, Hamburg,
Germany, Proceedings
[6] Verein Deutscher Ingenieure: VDI-Richtlinie 2206 - Entwicklungsmethodik
für mechatronische Systeme, Düsseldorf, 2004
[7] DIN 2342 - Begriffe der Terminologielehre, Beuth Verlag, September 2004
[8] Drath R.; Weidemann D.; Lips S.; Hundt L.; Lüder A.; Schleipen M.;
Datenaustausch in der Anlagenplanung mit AutomationML . - Heidelberg
[u.a.]: Springer, ISBN 978-3-642-04673-5, S. 221-305, 2010
[9] International Electrotechnical Commission: IEC 61360 - Standard data
element types with associated classification scheme for electric
components - Part 1: Definitions - Principles and methods.
Edition 2.1, Part 2: Component Data Dictionary (2004)
[10] Ahrens, W.: Eine Gegenüberstellung von VDI/VDE 3682, Prolist,
eCl@ss – Kapitel 2 - atp edition 9/2010
[11] Namur – Interessengemeinschaft Automatisierungstechnik der Prozessindustrie;
NE 100 - Nutzung von Merkmalleisten im PLT-Engineering-
Workflow - Version 3 (2006)
[12] Muehlhause M.; Suchold N.; Diedrich, Chr.: Application of semantic
technologies in engineering processes for manufacturing systems.
10th IFAC Workshop on Intelligent Manufacturing Systems, Lisbon/
Portugal, 1.-2.07.2010. Proceedings
Dipl.-Inform. Josef Prinz (geb. 1957) studierte von
1978 bis 1984 Diplom-Informatik an der Universität
Dortmund. Seit 1987 ist er Mitarbeiter der INPRO
GmbH in Berlin. Er betreut Projekte für die Automobilindustrie
im Bereich Anlagenplanung und Planung
und Optimierung von Logistiksystemen. Sein fachlicher
Schwerpunkt liegt in der Material flusssimulation,
der Datenintegration und der Digitalen Fabrik.
INPRO Innovationsgesellschaft für fortgeschrittene
Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH,
Hallerstraße 1; D-10587 Berlin,
Tel. +49 (0) 30 39 99 71 61, E-Mail: Josef.Prinz@inpro.de
PD Dr.-Ing. habil. Arndt Lüder (1968) arbeitete von
1995 bis 2000 an der Otto-von-Guericke Universität
Magdeburg und später an der Martin-Luther-Universität
Halle-Wittenberg. An letzterer erlangte er 2000 den Titel
eines Dr.-Ing. Seit 2001 arbeitet er am IAF und IMS der
Otto-von Guericke Universität, wo er 2007 zum Thema
"Verteilte Steuerungssysteme" habilitierte. Das Hauptarbeitsgebiet
von Arndt Lüder ist die Anwendung innovativer
Technologien auf dem Gebiet der Fabrikautomation.
Neben diesen Forschungsarbeiten ist er in die
Arbeit der Arbeitsgruppe "Agenten in der Automation"
der GMA sowie als Vorstand in die Arbeit des AutomationML
e.V. involviert.
Otto-v.-Guericke Universität Magdeburg,
Fakultät Maschinenbau, Institut für Mobile Systeme
& Institut für Arbeitswissenschaft, Fabrikautomatisierung
und Fabrikbetrieb Center Verteilte Systeme, Gebäude 10,
Raum 437, Universitätsplatz 2, D-39106 Magdeburg,
Tel. +49 (0) 391 6 71 18 26, E-Mail: arndt.lueder@ovgu.de
68
atp edition
7-8 / 2011
5. Fazit und Ausblick
Ziel von AutomationML ist, die Schaffung eines durchgängigen
Engineerings durch ein standardisiertes Datenaustauschformat.
Spezielle PropertySet-Rollen für die
Charakterisierung von mechatronischen Einheiten erlauben
es künftig, Anforderungen und Spezifikationen
mechatronischer Einheiten auszutauschen und so
Schnittstellen zwischen der Anlagenplanung und den
Beschaffungsprozessen zu realisieren. Der systemunabhängige
Aufbau mechatronischer, modularer Komponentenkataloge
wird unterstützt, die Verwendung der
Kataloge im Planungsprozess und die Integration in die
verwendeten Planungssysteme über spezifische Mappings
sind möglich.
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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
Automatisierungstechnik
am Beispiel UV-Behandlung von Hautkrankheiten
Der Beitrag stellt eine neuartige Behandlung vor, bei der über ein Bilderkennungsverfahren
erkrankte Hautpartien erkannt und dann über eine Bestrahlungseinheit nur diese erkrankten
Partien mit UV-Licht bestrahlt werden. Die gesunden Partien werden nicht bestrahlt
und somit geschont. Aus der Automatisierungstechnik gewonnene Verfahren und Erkenntnisse
sind erfolgreich auf ein Projekt der Medizintechnik angewandt worden.
SCHLAGWÖRTER Synergie / Medizintechnik / Automatisierungstechnik / UV-Behandlung /
Hautkrankheit
Synergies between Automation Technology and Medical Engineering
using the example of UV-treatment of skin diseases
This article describes how experience gained in the automation domain was successfully
used for the development of the medical device for the UV treatment of skin diseases.
KEYWORDS synergy / medical engineering / automation technology / UV treatment /
skin diseases
70
atp edition
7-8 / 2011
Karl-Heinz Niemann, Oliver Schmerling, Fachhochschule Hannover,
Friedrich Lüllau, Lüllau Engineering GmbH
In der Bundesrepublik Deutschland sind, laut Angabe
des statistischen Bundesamtes, 2 bis 3% der Bevölkerung,
also etwa 2 Millionen Menschen an Schuppenflechte
(Psoriaris) erkrankt [1]. Bei dieser Krankheit
bilden sich auf der Haut unregelmäßige Erkrankungsherde.
Bild 1 zeigt ein typisches Erkrankungsbild.
Eine der möglichen Behandlungsmethoden sieht die
Bestrahlung der Haut mit UV-Licht vor. Bisher wurde
hierbei in der Regel der gesamte Körper der zu behandelnden
Person bestrahlt. Dies hat zur Folge, dass sowohl
die erkrankte als auch die gesunde Haut der UV-
Strahlung ausgesetzt wird. Da die Behandlung üblicherweise
regelmäßig wiederholt werden muss, führt
die regelmäßige aber ungewollte Bestrahlung der gesunden
Hautpartien zu Hautalterung und gegebenenfalls
auch zur Entwicklung von Hautkrebs. Im Folgenden
wird ein neuartiges Behandlungsverfahren beschrieben,
bei dem über ein Bilderkennungsverfahren
erkrankte Hautpartien erkannt und dann über eine Bestrahlungseinheit
nur diese erkrankten Partien mit UV-
Licht bestrahlt werden. Die gesunden Partien werden
nicht bestrahlt und werden somit geschont.
1. Technisches Konzept
Bild 2 zeigt das realisierte Bestrahlungsgerät. Der zu behandelnde
Patient liegt auf einer Liege. Darüber ist der
Bestrahlungskopf mit integrierter Kamera platziert.
Der obere waagerechte Holm lässt sich über Gelenke positionieren
und zusätzlich neigen. In den Holm integriert
ist die Belichtungseinheit. Diese besteht aus einer modulierbaren
UV-Strahlenquelle und einem Kamerasystem.
Durch die realisierten Freiheitsgrade lässt sich die Belichtungseinheit
über der zu behandelnden Person verfahren,
um so den Patienten, bei großflächigen Erkrankungen, in
mehreren Teilvorgängen bestrahlen zu können.
Die in der Belichtungseinheit integrierte Kamera erfasst
die Hautoberfläche. Über einen Erkennungsalgorithmus
werden die erkrankten Hautpartien identifiziert
und es wird daraus eine Belichtungsmaske berechnet.
Diese Belichtungsmaske definiert auf welche Hautpartien
UV-Licht appliziert werden soll und auf welche nicht.
Diese Belichtungsmaske wird einem Digital Mirror Device
(DMD) in der Belichtungseinheit übergeben. Die in
Bild 3 dargestellte Belichtungseinheit besteht neben dem
DMD aus der UV-Lichtquelle, einem Kondensor zur Bündelung
des Lichtes und einem Projektionsobjektiv.
Das UV-Licht der Lichtquelle wird auf das DMD projiziert.
Dieses besteht aus einer Matrix von 1024 mal 768
mikroskopisch kleinen Spiegeln. Die Spiegelmatrix kann
durch die Software des Steuerrechners so beeinflusst werden,
dass entweder das Licht des Pixels auf den Patienten
fällt, oder durch Drehung des Spiegels in einen Absorber
geleitet wird. Mit Hilfe dieser Anordnung kann die aus
dem Bild berechnete Belichtungsmaske auf den Patienten
projiziert werden. DMDs kommen heute in Videoprojektoren
zum Einsatz (DLP-Projektoren) und erzeugen dort
in Verbindung mit einem Farbrad farbige Bilder. In diesem
Projekt erzeugt das DMD ein einfarbiges Bild (Licht / kein
Licht) Durch eine zeitliche Modulation der Spiegelneigung
eines jeden einzelnen Spiegels können bis zu 256
unterschiedliche Helligkeitswerte erzeugt werden. Da
herkömmliche DMDs der UV-Strahlung nicht standhalten,
kommen spezielle UV-feste DMD-Typen zum Einsatz.
Während des Bestrahlungsvorganges überwacht die
Kamera Bewegungen der zu behandelnden Person und
führt die Belichtungsmaske entsprechend nach. Ein
Streifenprojektionsverfahren soll künftig zusätzlich die
Höhentopologie der zu behandelnden Person erfassen
und ein entsprechender Software-Algorithmus wird
dann unter Kenntnis des Höhenprofils Intensitätsunterschiede
in der Bestrahlung ausgleichen.
2. Synergien zwischen Medizin- und
Automatisierungstechnik
Das technische Prinzip des Gerätes wurde im Rahmen
des BMBF-Projektes UVUV [2] erarbeitet. Die derzeitige
Entwicklung des ersten seriennahen Prototypen
wird über das BMWi Projekt UVST gefördert. Momen-
atp edition
7-8 / 2011
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Hauptbeitrag | Automation 2011
BILD 1: Erscheinungsbild der Schuppenflechte
BILD 2:
Bestrahlungsgerät
BILD 4:
Verfahren zum
Erkennen erkrankter
Hautpartien
Chroma (Farbsättigung)
Hue (Farbtonwinkel)
BILD 3: Strahlengang im
Bestrahlungskopf.
BILD 5: Vereinfachte Klassifizierung von
Bildpixeln in gesunde und kranke Haut
72
atp edition
7-8 / 2011
Aufgabe
Erfassung der erkrankten Hautpartien
über Kamerasystem
Verfolgung von Patientenbewegungen
in Echtzeit
Ermitteln der Höhentopologie der
zu behandelnden Person
Entwicklung der PC-basierten
Steuer software, Integration von
Kamera und DMD-Treibern
Hardwareentwicklung des Steuer-
Rechners für die Erfassung von
Messsignalen und für die Ansteuerung
der Antriebe über seriellen
Bus sowie zur Kommunikation
über seriellen Bus mit dem
Leitrechner
Entwicklung von Software gemäß
den sicherheitstechnischen
Anforderungen der Medizintechnik
Beherrschung des Softwarelebenszyklus
für sicherheitsgerichtete
Systeme
Verwaltung der Patienten- und
Bilddaten in einer Datenbank
Erfassung von Messsignalen für
Temperaturen, Positionen,
Strahlungsdichten
Integration komplexer Hard- und
Softwaresysteme
Erforderliche Kompetenz
im Projekt
Kenntnisse in der Bildverarbeitung.
Erkennung von Kanten und
Strukturen
Kenntnisse in der Echtzeit-
Bilddaten verarbeitung
Verfahren zur optischen Messung
von Höhenprofilen über Streifenprojektiontion
Kenntnisse in der Programmierung
von SW-Systemen in C# unter
Windows für die Visualisierung von
Prozessdaten und die Entwicklung
grafischer Bedienoberflächen
Kenntnisse in der Hardware-Entwicklung
eingebetteter Systeme
mit serieller Kommunikation zum
überlagerten System
Beherrschung des einschlägigen
Normenwerkes, z.B. Anwendung
des Risikomanagements für
Medizinprodukte DIN EN ISO
14971, Anwendung der Gebrauchstauglichkeit
auf Medizin produkte
DIN EN 62366
Beherrschung der entsprechenden
Normen für Software-
Lebenszyklus nach DIN EN 62304
Datenbankanwendung unter
Nutzung eines SQL-Servers
Beherrschung der entsprechenden
Messverfahren zur Einbindung der
Messstellen
Integration von Mechanik, Elektronik,
Echtzeitsoftware und PC-Software
zu einem funktionierenden
Gesamtgerät
Verwandtes Arbeitsgebiet in der
Automatisierungstechnik
Optische Prüfung von Werkstücken
in der Fertigungstechnik
Erfassung und Verfolgung von
Bauteilen in Fertigungsprozessen
in Echtzeit über Kamerasysteme
Optische Vermessung von Werkstücken
mittels Streifenprojek
Entwicklung von Bedien- und
Beobachtungsstationen für
Prozessleitsysteme. Einbindung
von Kamerasystemen für die
Prozessüberwachung und von
Projektionssystemen für die
Prozessvisualisierung
Entwicklung von echtzeitfähigen
eingebetteten Systemen mit
serieller Kommunikation zu
unter- und über geordneten
Systemen
Entwicklung von sicherheitsgerichteten
Systemen nach IEC 61508
Realisierung des Software
Leben szyklus für die Entwicklung
von sicherheitsgerichteten
Systemen nach IEC 61508 Teil 3
Datenbankapplikationen zur
Erfassung von Daten in Produktionsprozessen,
z. B. in MES-Systemen
Messtechnik in Prozessautomatisierungssystemen
Integration von mechatronischen
Komponenten mit verteilten
Automatisierungssystemen
TABELLE 1: Synergien Medizin- und Automatisierungstechnik
atp edition
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Hauptbeitrag | Automation 2011
BILD 6: Erkennung über dynamischen Schwellenwert
BILD 7: Erkennung über Support Vector Machine
BILD 8: Verfahren zur
Patientenverfolgung
tan ist ein erstes Muster des seriennahen Standes im
Zulassungsverfahren.
An dem bisher beschriebenen Funktionsprinzip lässt
sich erkennen, dass sich ein solches Gerät nur in einem
interdisziplinären Team entwickeln lässt. Neben
Kenntnissen im Maschinenbau und in der technischen
Optik sind auch Qualifikationen im Bereich der Elektronik,
der Bildverarbeitung, des Software-Engineering
und der Sicherheitstechnik gefragt. In der Regel sind
Automatisierungstechniker nicht in Medizintechnikprojekten
tätig. In der vorliegenden Projektkonstellation
ergab es sich jedoch, dass sich das Fachgebiet Prozessinformatik
und Automatisierungstechnik der FH-
Hannover in das Projekt einbringen konnte, obwohl der
bisherige Schwerpunkt der Aktivitäten nicht im Bereich
der Medizintechnik lag. Nach einer ersten Analyse
der Aufgabenstellung kristallisierten sich eine
Reihe von Ansatzpunkten heraus, bei denen Kenntnisse
aus dem Bereich Automatisierungstechnik in das
Projekt nutzbringend eingesetzt werden konnten.
Die Tabelle 1 zeigt, dass viele Aufgabenstellungen im
Projekt Entsprechungen in der Automatisierungstechnik
aufweisen. Hierdurch war es möglich, vorhandene Kompetenzen
in das Projekt einzubringen, obwohl die Aufgabenstellung
aus einer grundsätzlich anderen Problemdomäne
stammt. Gerade die Kenntnisse im Bereich der
Entwicklung sicherheitsgerichteter Hard- /Softwaresysteme
konnten gut in das Projekt eingebracht werden. Hier
sind die Anforderungen der Medizintechnik ähnlich denen
der Sicherheitstechnik in der Prozessautomatisierung.
In beiden Fällen geht es darum, Personen und Anlagen
im Falle einer Fehlfunktion vor Schaden zu bewahren.
3. Beispiele für angewandte Verfahren
3.1 Erkennung erkrankter Hautpartien
Die Erkennung der erkrankten Hautpartien über ein Bildverarbeitungssystem
ist eine der wesentlichen Komponenten
des Bestrahlungssystems. Die Bildinformation wird
über ein Kamerasystem, welches auch in der industriellen
Bildverarbeitung eingesetzt wird, eingelesen. Probleme bei
der Erkennung der erkrankten Flächen sind dabei:
Helligkeitsverläufe im Bild durch Kontur des
menschlichen Körpers
Fremdlichteinwirkung durch Tageslicht,
Deckenlicht
Unterschiedlichen Hauttypen (hell, dunkel)
zeigen unterschiedliche Krankheitsbilder
Bild 4 zeigt das implementierte Verfahren zur Erkennung
der erkrankten Hautpartien. Ein Medianfilter glättet das
Bild zunächst, um kleinere Hautunregelmäßigkeiten zu
entfernen, welche bei den nachfolgenden Bearbeitungsschritten
stören würden. Im nächsten Schritt wird nur
der für die Erkennung relevante Farbbereich (Hauttöne)
ausgewählt. Danach erfolgt über eine Support Vector Machine
(SVM) [3] eine Klassifizierung der Bildpixel. Die
SVM teilt über ein Klassifizierungsverfahren die Bildpixel
in die zwei Klassen „gesunde Haut“ und „erkrankte Haut“
ein. Hierbei werden die Bildpixel in einem Vektorraum
abgelegt und durch eine Hyperebene getrennt.
Bild 5 veranschaulicht an einem vereinfachten Beispiel,
wie man die Bildinformationen durch eine Grade in zwei
74
atp edition
7-8 / 2011
Klassen trennen kann. Die Grade dient also zur Klassifizierung
der Pixel in „gesund“ und „erkrankt“. Abschließend
werden die gefundenen Hautpartien noch über die Auswahl
bestimmter Sättigungswerte weiter verfeinert. Das vorgestellte
Verfahren unter Nutzung der SVM ist einfachen Algorithmen,
wie beispielsweise einem Schwellenwertverfahren,
deutlich überlegen. Beleuchtungsabhängige Helligkeitsverläufe
oder starke Körperbehaarung stören die Erkennung
kaum. Darüber hinaus lässt sich das Verfahren auf
unterschiedlichen Hauttypen (hell /dunkel) trainieren.
Bild 6 zeigt die Erkennungsrate eines Schwellenwertverfahrens.
Der Lichtabfall am rechten Bildrand und
am Arm des Patienten führt zu Fehlerkennungen. Im
Vergleich dazu ist in Bild 7 die Erkennung unter Nutzung
der Support Vector Machine dargestellt. Die Erkennung
ist deutlich verbessert, auch bei starker Körperbehaarung
des Patienten. In automatisierungstechnischen
Anwendungen kommen Support Vector Machines
beispielsweise bei der nichtlinearen Modellbildung
technischer Prozesse zum Einsatz [4].
3.2 Patientenverfolgung
Die Bestrahlung der erkrankten Hautpartien liegt im Minutenbereich
und kann in Einzelfällen bis zu 20 Minuten
andauern. Während dieser Zeit sind leichte Bewegungen
der zu behandelnden Person nicht auszuschließen. Diese
Bewegungen führen bei laufender Bestrahlung dazu, dass
sich das Bestrahlungsfeld und die erkrankte Hautpartie
nicht mehr decken. Gesunde und relativ UV-empfindliche
Haut würde bestrahlt. Aus diesem Grund ist es erforderlich,
Bewegungen des Patienten zu erfassen und die Belichtungsmaske
der Bewegung nachzuführen. Um die im
medizinischen Bereich nötige hohe Genauigkeit der Nachverfolgung
zu gewährleisten, wird zurzeit mit einem markerbasierten
Verfahren gearbeitet. Ein rechteckiger grüner
Aufkleber (siehe Bild 7) mit definiertem Höhen-/Seitenverhältnis
dient hierbei als Markierung zur Verfolgung
der Patientenbewegungen.
Das Verfahren zur Patientenverfolgung ist in Bild 8
dargestellt. Da eine grüne Markierung verwendet
wird, wird zunächst die Grüninformation aus dem
Bild extrahiert und mit Hilfe der Rot- und Blaukanäle
normalisiert, um eine Unabhängigkeit von der Beleuchtung
zu erhalten. In einem weiteren Schritt werden
über ein Kantenerkennungsverfahren (Difference
Edge Detector) alle Kanten im Bild extrahiert. Eine
nachgeschaltete Bilderkennung identifiziert zusammenhängende
Objekte im Konturenbild und entfernt
diejenigen, die nicht den spezifizierten Kriterien, wie
ISO 26000 in der Praxis
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ERSCHEINUNG
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Bank, Ort
Bankleitzahl
✘
Datum, Unterschrift
Kontonummer
PAISO12010
Hauptbeitrag | Automation 2011
zum Beispiel einer bestimmten Größe, entsprechen.
Danach wird geprüft, ob das erkannte Gebilde die
Form eines Recheckes mit einem definierten Höhen-/
Seitenverhältnis aufweist. Ist die Form erkannt worden,
wird die Position (beispielsweise die Mitte des
Rechtecks) als Koordinate bestimmt.
Um die Sicherheit des Verfahrens zu gewährleisten,
werden während des Vorgangs laufend Plausibilitätskontrollen
durchgeführt. Die erkannten Koordinaten werden
nur übernommen, sofern ein genau passendes Objekt in
dem aktuellen Bild gefunden wurde. Das Verfahren erlaubt
die Verfolgung von Bewegungen der Markierfläche.
Translation, Rotation und Entfernungsänderung werden
erkannt. Die Grundidee für das Verfahren stammt aus
der Glyphen-Erkennung- und Verfolgung. Glyphen können
in der Robotik unter anderem zur Navigation und
zur Übermittlung von Kommandos an Roboter verwendet
werden [5]. Aber auch Anwendungen in der Automatisierungstechnik
zum Beispiel bei der Produktidentifikation
sind möglich. Hier können Scanner aus einem
Kamerabild 2D-Barcodes extrahieren, die an einer beliebigen
Stelle im Bild angebracht sein können.
Zusammenfassung
Methoden und Verfahren der Automatisierungstechnik
sind auch für die Entwicklung medizintechnischer
Geräte einsetzbar. Gerade die Verfahren zur Entwicklung
komplexer, echtzeitfähiger Systeme lassen sich
sinnvoll einsetzen. Know-how aus der Entwicklung
von sicherheitsgerichteten Systemen konnte in ähnlicher
Art wieder verwendet werden. Die Softwarelebenszyklen
sind sehr ähnlich, die Anforderungen an
die Software vergleichbar. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit
zwischen Hochschulen und Firmen bietet
eine Wissensbasis, in der die Teildisziplinen gut
verzahnt werden konnten.
Manuskripteingang
10. Juni 2011
Referenzen
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet
[1] Traupe, H., Robra, B.-P.: Gesundheitsberichterstattung des
Bundes, Heft 11, Schuppenflechte. Statistisches Bundesamt,
Robert Koch Institut. 2002
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FH³-Forschungsprojekt: „Entwicklung eines umfeldschonenden
Verfahrens zur UV-Behandlung von Hautkrankheiten
(UVUV)“. Projekt gefördert vom BMBF, Förderkennzeichen
1728A05. Hannover. 2009. Download: http://edok01.tib.
uni-hannover.de/edoks/e01fb09/614271002.pdf
[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,
Fachbereich Elektrotechnik,
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,
Fachbereich Elektrotechnik,
Postfach 92 02 61, D-30441 Hannover.
Tel. +49 (0) 511 92 96 12 64,
E-Mail: Oliver.Schmerling@FH-Hannover.de
76
atp edition
7-8 / 2011
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
+ CD-ROM
Über 1.600 Seiten nützliche,
ergänzende Inhalte (z. B. Montage-,
Inbetriebnahme- und Planungsrichtlinien
sowie Systembeschreibungen)
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Vorteilsanforderung per Fax: +49 (0) 201 / 820 02 - 34 oder im Fensterumschlag einsenden
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___ Ex. PROFIBUS – Diagnose und Messungen
1. Aufl age 2010 für € 59,90 (zzgl. Versand)
ISBN: 978-3-8356-3204-2
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PDMdZ2010
praxis
Drahtlose Ortungssysteme maßgeschneidert:
mobile Betriebsmittel per RFID überwachen
Die skalierbaren Lösungen eignen sich auf für die Kontrolle innerhalb geschlossener Hallen
RFID-Lokalisierungssysteme erlauben einen effizienteren
Einsatz beispielsweise von tragbaren Werkzeugen,
mobilen Maschinen, Transportbehältern, Fahrzeugen.
Zudem können Besucher, eigenes Personal und
Betriebsmittel zuverlässig überwacht und gemanagt
werden. Selbst für Ex-Bereiche sind derartige Lösungen
verfügbar. Durch skalierbare Leistungsfähigkeit machen
sie passgenaue und kostengünstige Implementierungen
möglich.
Lokalisierungssysteme können Funksignale unterschiedlicher
Art verwenden. Grundbaustein aller Lösungen
sind Transponder, die an Fahrzeugen oder Betriebsmitteln
angebracht oder von Personen zum Beispiel an
der Arbeitskleidung getragen werden. In der zu überwachenden
Anlage werden außerdem gegebenenfalls erforderliche
Controller installiert. Hardwareseitig nutzen
gängige Lösungen entweder den Funkstandard RFID
(Radio Frequency Identification) oder das Global Positioning
System (GPS).
Spezielle Systeme zur RFID-Ortung ermöglichen auch in
Ex-Bereichen die Standortbestimmung von Personen, Fahrzeugen
und anderer mobiler Betriebsmittel.
Ein Edgeware-Server sorgt für den reibungslosen Datenaustausch
zwischen dem RFID-Lokalisierungssystem und Anwendungen
auf der übergeordneten IT-Ebene.
RFID-Tags
für das ISwireless-
System sind in sehr
rauer Umgebung
einsetzbar und
bleiben dank ihrer
langlebigen Batterie
viele Jahre wartungsfrei
funktionstüchtig.
Bilder: R. Stahl
GPS EIGNET SICH NUR FÜR DEN AUSSENEINSATZ
GPS bietet prinzipiell den Vorteil, dass kein eigenes Netzwerk
von Empfängern in einer Anlage installiert werden
muss. Für viele Prozessanlagen scheidet diese Option
allerdings von vornherein aus, da sich das Satelliten-gestützte
System nur für Außenbereiche eignet. Sehr oft soll
aber auch das Innere von Gebäuden in die Überwachung
einbezogen werden, wo sich eine ständige Verbindung
zum Satellitensystem nicht gewährleisten lässt und GPS
daher nicht einsetzbar ist.
Im Gegensatz dazu ist ein Lokalisierungssystem auf
Basis von aktiven RFID-Tags für Indoor- und Outdoor-
Nutzung gleichermaßen geeignet. Solche Transponder
übermitteln und empfangen Daten im Freien oft noch
über weit mehr als 100 m. Auch Signale aktiver Tags in
Gebäuden sind noch in beträchtlicher Entfernung zu
empfangen, sogar durch mehrere Wände hindurch. Darüber
hinaus liegen die Kosten pro Transponder-Einheit
klar unter denen von GPS-Sendern in Industrieausführung.
PASSGENAUE LÖSUNG FÜR JEDEN EINZELFALL
Ein Echtzeitsystem zur Positionsbestimmung kann
grundsätzlich gut auf die konkreten Bedürfnisse individueller
Anwender abgestimmt werden. Berücksichtigt
werden kann erstens die Größe des zu überwachenden
Areals insgesamt. Außerdem kann nach Standorten mit
Anlagen im Gebäudeinneren, solchen mit Anlagen ausschließlich
im Freien und den recht häufigen gemischten
Szenarien differenziert werden. Daneben unterscheidet
sich je nach Anwendung auch die geforderte Ortungsgenauigkeit
und -geschwindigkeit.
Eine Rolle für Projektierung und Implementierung einer
passgenauen Lösung spielen schließlich noch die
Bewegungshäufigkeit und -geschwindigkeit der Betriebsmittel
oder der Personen, die mit Lokalisierungs-Tags
versehen werden sollen. Die einfachsten Systeme registrieren
lediglich die Anwesenheit beobachteter Arbeits-
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atp edition
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
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praxis
Sichere Verbindung in jeder Umgebung
Bewährter Steckverbinder lässt sich nun auch unter extremen Bedingungen einsetzen
Fit für extreme
Umweltbedingungen:
Für den Außeneinsatz in
verschiedensten Einsatzfeldern
wurde eine
Outdoor-Version des
M12-Steckverbinders
entwickelt.
Härtetest:
Während ihrer Entwicklung
mussten die neuen
Steckverbinder auch
Klimatests bestehen.
egen seiner Robustheit und seiner hohen Marktdurchdringung
ist der M12-Steckverbinder seit
W
langem eine gute Wahl für Signal- und Datensteckverbindungen.
Schon heute wird das System in Outdoor-
Applikationen eingesetzt. Eine neue Version des Verbinders
mit modifizierten Materialien erlauben nun
auch den langfristig zuverlässigen Einsatz unter extremen
Bedingungen.
Signal- und Datensteckverbinder aus dem industriellen
Umfeld werden immer häufiger auch im Außenbereich
eingesetzt. Die dort herrschenden Umweltbedin-
gungen setzen den Komponenten, die nicht für den
extremen Einsatz konzipiert wurden, oft schwer zu –
ein sicherer Betrieb über einen längeren Zeitraum ist
kaum möglich. Mit umfangreichen Tests und einer neuen
Materialkombination hat Phoenix Contact den weit
verbreiteten M12-Steckverbinder nun für den Extremeinsatz
fit gemacht.
Erneuerbare Energien, intelligente Systeme für Infrastruktur-Projekte,
die Forderung nach hoher Verfügbarkeit
von Maschinen und Anlagen – das sind die Trends,
die den klassischen Industrie-Steckverbindern neue
80
atp edition
7-8 / 2011
Anwendungsfelder erschließen. Steckverbinder in
Windkraftanlagen, in Solar-Nachführungs-Steuerungen
oder auch im Nutz- und Sonderfahrzeugbau unterscheiden
sich zunächst kaum von denen in Fabrikhallen.
Das ist durchaus nachvollziehbar, da viele der
praxisbewährten Eigenschaften und Funktionen aus
dem Industrieumfeld auch im Extremeinsatz benötigt
werden. Industrie-Steckverbinder bieten aufgrund ihrer
Bauart Schutz gegen das Eindringen von Schmutz,
Staub und Flüssigkeit. Zudem sind sie so robust ausgelegt,
dass Schock und Vibration ihnen nichts anhaben
können. Auf der anderen Seite können die extremen
Anforderungen im Außenbereich die Lebenszyklen einzelner
Bauteile verkürzen.
Bei der Entwicklung und Auslegung von Komponenten
für extreme Einsatzgebiete müssen zunächst die unterschiedlichsten
Anforderungen exakt definiert werden.
Denn es gibt weder eine Norm noch marktübliche Testvorgaben,
nach denen sich ein Steckverbinder für den
Outdoor-Einsatz konzipieren ließe. Allgemein gilt, dass
Steckverbindungen im Außenbereich mit UV-Strahlung,
Ozonbelastung, trockener und feuchter Wärme, Regen
und Schnee sowie Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt
zurecht kommen müssen. Besonders der extreme
Wechsel zwischen Temperaturbereichen stellt eine hohe
Belastung für die Materialien dar. Auch die mechanische
Beanspruchung sowie die Forderung des Endanwenders
nach leichter und flexibler Montage spielen in diesem
Kontext eine Rolle.
Der M12-Steckverbinder, seit Jahren Rückgrat in der
Automatisierungstechnik, wird immer häufiger auch in
den erwähnten Applikationen nachgefragt und eingesetzt.
Einen Nachweis für die Outdoor-Tauglichkeit von
M12-Steckverbindern fehlt aber bislang.
Am Anfang der Entwicklung des Outdoor-M12 standen
daher ein detailliertes Anforderungsprofil und ein umfassender
Prüfplan, der neben den M12-Norm-Anforderungen
gemäß IEC 61076-2-101 auch die spezifischen
klimatischen und mechanischen Anforderungen der
Outdoor-Bereiche widerspiegelt.
Zunächst wurden die handelsüblichen M12-Steckverbinder
gründlichen Tests unterzogen. Dabei kristallisierte
sich heraus, dass viele der in konventionellen Steckverbindern
verwendeten Materialien und Materialkombinationen
den hohen Anforderungen des Outdoor-Einsatzes
nicht genügten.
Bei der neuen M12-Outdoor-Serie von Phoenix Contact
kommen daher Gehäusematerialien wie PP (Polypropylen),
PA (Polyamid) und PBT (Polybutylenterephthalat)
zum Einsatz. Bei den umspritzten Steckverbindern wurde
ein neues Dichtkonzept im Umspritzbereich entwickelt,
das sich an Leitungskonzepte im Solarbereich
anlehnt. Diese Anpassungen ermöglichen auch unter den
widrigsten Witterungsbedingungen die Einhaltung der
Schutzarten IP67 und IP69k. Zudem weisen die Leitungen
auch bei hohen Temperaturen eine hohe Ölbeständigkeit
auf – wovon zum Beispiel Mobilhydraulik-Applikationen
profitieren. Spezielle Dichtungen verhindern
ein Verspröden und eine mögliche Rissbildung und somit
das vorzeitige Altern.
Die Metallteile für die Verschraubungen sowie die
Schirmungskomponenten bei den geschirmten Steckverbindern
bestehen aus korrosionsbeständigen hochwertigen
Edelstahl-Legierungen wie V4A oder einem neuartig
beschichtetem Zink-Druckguss. So ist auch bei aggressiver
Atmosphäre, etwa bei Seeklima, ein optimaler Korrosionsschutz
über einen langen Zeitraum möglich. Bewähren
mussten sich die neuen Verbinder in der Testphase
unter anderem in: Witterungstest (UV), IP67, IP68,
IP69k, Kesternich-Test, Salznebel-Sprüh-Test, schnelle
Temperaturwechsel, konstante feuchte Wärme, trockene
Hitze, korrosive Gase und Ozon-Beständigkeit.
Das M12-Outdoor-Programm von Phoenix Contact umfasst
Verteilerboxen, konfektionierbare Steckverbinder
sowie vorkonfektionierte M12-Leitungen in unterschiedlichen
Längen. Die M12-Leitungen sind geschirmt und
ungeschirmt verfügbar, die Schirmelemente des Steckverbinders
sind dabei erstmalig in Edelstahl ausgeführt.
Die Anbindung des Schirmgeflechtes erfolgt nicht durch
eine auf die Leitung gecrimpte Verbindung, sondern
durch eine 360°-Verbindung direkt auf der Schirmhülse.
Selbst bei hohen mechanischen Belastungen durch
Schock und Vibration arbeitet die Schirmung sicher und
unterbrechungsfrei. Damit sind auch CAN-Bus- oder
Ethernet-Varianten möglich, die häufig für die Datenkommunikation
in den beschriebenen Applikationen
genutzt werden.
Der Anwender muss stets die Umwelteinflüsse auf
seine spezifische Applikation bewerten. Nicht immer
ist eine Outdoor-Steckverbindung notwendig. Da aber
zahlreiche Umwelteinflüsse die Materialien erst über
einen längeren Zeitraum schädigen, ist eine nachgewiesene
Outdoor-Tauglichkeit ein nicht zu unterschätzender
Faktor – im Hinblick auf die Sicherheit und damit
auch auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage.
Autor
Dipl.-Wirt.-Ing. Michael
Lüdke ist im Produkt-
Marketing Industrie-Steckverbinder
Pluscon tätig.
Phoenix Contact GmbH & Co. KG,
Flachsmarktstr. 8, D-32825 Blomberg,
Tel.: +49 (0) 5235 33 02 52,
E-Mail: mluedke@phoenixcontact.com
atp edition
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81
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Organschaft:
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(VDI/VDE-Gesell schaft Messund
Automatisierungs technik)
und der NAMUR
(Interessen gemeinschaft
Automatisierungs technik der
Prozessindustrie).
Redaktion:
Gerd Scholz (verantwortlich)
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(Chefredakteur, verantwortlich
für die Hauptbeiträge)
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Fakultät Elektrotechnik
und Informationstechnik
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D-01062 Dresden
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Dr. B. Kausler
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Die Ausgabe 9 / 2011 der
erscheint am 29.8.2011
Mit folgenden Beiträgen:
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82
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