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atp edition Mensch-Roboter-Kooperation (Vorschau)

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7-8 / 2011<br />

53. Jahrgang B3654<br />

Oldenbourg Industrieverlag<br />

Automatisierungstechnische Praxis<br />

Vergleichende Bewertung<br />

von Anlagenkonzepten | 30<br />

Testen verteilter<br />

Automatisierungssysteme | 38<br />

Modellgestützte<br />

Modernisierungsplanung | 46<br />

<strong>Mensch</strong>-<strong>Roboter</strong>-<strong>Kooperation</strong> | 54<br />

Beschreibung mechatronischer<br />

Objekte durch Merkmale | 62


editorial<br />

„Die Zukunft kommt –<br />

ganz automatisch“<br />

So lautet der Titel unserer Broschüre, die wir im Rande des Kongresses Automation<br />

2011 in Baden-Baden erstmalig vorgestellt haben. Sie ist nicht gedacht<br />

für Ingenieure der Automatisierungstechnik – auch nicht für Experten anderer<br />

Fachrichtungen. Mit der Broschüre sprechen wir <strong>Mensch</strong>en aus der „allgemeinen“<br />

Öffentlichkeit an, um für sie ein positives Bild der Automation zu zeichnen<br />

und den vielfältigen Nutzen für jeden von uns nachvollziehbar und allgemein<br />

verständlich aufzuzeigen. Wir leisten damit einen weiteren Beitrag zu unserem<br />

Thesenpapier „Automation 2020“, welches wir vor zwei Jahren veröffentlicht<br />

haben. Unsere – unverändert gültigen – Thesen lauten:<br />

1 | Automation leistet einen wesentlichen Beitrag zur Bewältigung<br />

anstehender gesellschaftlicher Herausforderungen.<br />

2 | Automation steht für „Technik mit dem <strong>Mensch</strong>en für den <strong>Mensch</strong>en“.<br />

3 | Automation ist Leitdisziplin für die Entwicklung, Optimierung<br />

und Anwendung neuer Produkte, Verfahren und Technologien.<br />

Wir haben uns gefragt, an welchen Stellen im alltäglichen Leben Automation eine<br />

wichtige Rolle spielt und beispielhaft erklärt werden kann. Wir alle sind es heute<br />

gewohnt, mit Geräten und Automaten unterschiedlichster Art nahezu selbsverständlich<br />

umzugehen. Wir erwarten geradezu, dass uns Arbeiten abgenommen<br />

werden, dass wir uns sicher fühlen und an vielen Stellen unterstützt werden. Dies<br />

beginnt im normalen Tagesablauf schon mit dem bequemen temperaturgeregelten<br />

Duschen und dem frischen Kaffee aus der Kaffeemaschine. Im Auto auf dem Weg<br />

zur Arbeit nehmen wir die vielen automatischen Funktionen kaum noch wahr:<br />

Zündung, Automatikgetriebe, ABS, ESP, Überwachung des Toten Winkels, aktive<br />

Geschwindigkeitsregelung und so fort. Beim Einfahren in die Tiefgarage erwarten<br />

wir, dass unsere Parkkarte erkannt wird und dass sich die Schranke automatisch<br />

für uns öffnet. Die hier genannten Beispiele sind ohne Automation undenkbar.<br />

Wir alle als Leser der <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> wissen das.<br />

Wie aber vermitteln wir das unserem Nachbarn oder unserer Nachbarin? Die<br />

Antwort lautet: Mit Beispielen. Mit Bildern. Mit einfachen, zur Zielgruppe passenden<br />

Texten und Aussagen.<br />

Unsere Ergebnisse finden Sie in der GMA-Broschüre „Die Zukunft kommt ganz<br />

automatisch“ und auch unter www.ganz-automatisch.de. Gern können Sie Broschüren<br />

bei der GMA-Geschäftsstelle unter gma@vdi.de bestellen.<br />

Nutzen auch Sie die Publikation, beispielsweise im Bekannten- und Familienkreis,<br />

in Schulklassen, bei öffentlichen Veranstaltungen. Letztlich hilft Ihnen<br />

die Broschüre auch bei der Erklärung dessen, was Sie in Ihrem Berufsalltag<br />

machen.<br />

Nun aber darf ich Ihnen beim Studium der aktuellen <strong>atp</strong>-<strong>edition</strong> viel Freude<br />

wünschen. Die Hauptbeiträge dieser Ausgabe entstammen fast alle dem diesjährigen<br />

Kongress Automation 2011 – unserem jährlichen Netzwerk-Event für die<br />

Anwender, Hersteller und Forschungseinrichtungen der Automation, das auch<br />

in diesem Jahr ein voller Erfolg war. Ihnen allen, die daran beteiligt waren<br />

danke ich herzlich und freue mich bereits heute auf unser nächstes Treffen am<br />

13. und 14. Juni 2012.<br />

Dr. Kurt D.<br />

Bettenhausen<br />

Vorsitzender der VDI/VDE-<br />

Gesellschaft Mess- und<br />

Automatisierungstechnik (GMA)<br />

www.automatisierungskongress.de<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

3


Inhalt 7–8 / 2011<br />

Forschung<br />

06 | Nano-Magnetschalter bauen sich dank Trick<br />

aus der Natur selbst zusammen<br />

Wie ein ungelöstes Problem aus der Codierungstheorie<br />

RFID-Chips sicherer macht<br />

07 | Neue Steuerung ermöglicht Kombination aus Industrierobotern<br />

und mobilem Laserscanner<br />

Vom Internet der Dinge zum Internet der Dienste –<br />

Fraunhofer schafft in München sichere Systeme<br />

Verband<br />

08 | VDI ehrt Fraunhofer-Chef Hans-Jörg Bullinger<br />

VFAale wandelt sich um zum Trägerverein<br />

09 | Fachverband für Sensorik wählt Vorstand wieder<br />

IT-orientierte Hersteller engagieren sich immer stärker<br />

im ZVEI-Fachverband Energietechnik<br />

branche<br />

10 | Mario Hoernicke und Andreas Wiesner erhielten den <strong>atp</strong> Award<br />

für die besten Veröffentlichungen<br />

Querschnittsthema funktionale Sicherheit:<br />

VDE stellt Informationen gebündelt zur Verfügung<br />

11 | Prozessleittechnik: Namur-Hauptsitzung stellt die Trends<br />

und Herausforderungen der Zukunft vor<br />

Cyril Perducat bleibt Vorstandschef der ODVA<br />

12 | Wireless-Einsatzszenarien für Stellgeräte in der Prozessautomation<br />

16 | Berührungslose Sensoren sparen Kosten und steigern<br />

die Sicherheit der Kraftwerksteuerung<br />

26 | IEC 61508: So entwickeln Anfänger normgerechte Komponenten<br />

4<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7–8 / 2011


anche | Special industrial ethernet<br />

20 | Parallel Redundancy Protocol und High Availability Seamless<br />

Redundancy sichern doppelt ab<br />

24 | Mit Ethernet auf dem Teppich geblieben:<br />

Hersteller rüstet Färbelinie auf neue Technologie um<br />

Hauptbeiträge | Automation 2011<br />

30 | Vergleichende Bewertung von Anlagenkonzepten<br />

Dr.-Ing. E. Roos<br />

38 | Testen verteilter Automatisierungssysteme<br />

E. Noak, S. JovalekiC, B. Rist<br />

46 | Modellgestützte Modernisierungsplanung<br />

M. Strube, A. Fay, S. Truchat, H. Figalist<br />

54 | <strong>Mensch</strong>-<strong>Roboter</strong>-<strong>Kooperation</strong><br />

Dipl.-Ing. C. Thomas, Prof. Dr.-Ing. B. Kuhlenkötter,<br />

Dipl.-Ing. F. Busch, Prof. Dr.-Ing. J. Deuse<br />

62 | Beschreibung mechatronischer Objekte durch Merkmale<br />

J. Prinz, A. Lüder, N. Suchold, R. Drath<br />

70 | Synergien zwischen Medizin- und Automatisierungstechnik<br />

K.-H. Niemann, O.Schmerling, F. Lüllau<br />

Praxis<br />

78 | Drahtlose Ortungssysteme maßgeschneidert:<br />

mobile Betriebsmittel per RFID überwachen<br />

80 | Sichere Verbindung in jeder Umgebung<br />

rubriken<br />

3 | Editorial<br />

66 | Impressum, <strong>Vorschau</strong><br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

5


forschung<br />

Nano-Magnetschalter bauen sich dank Trick<br />

aus der Natur selbst zusammen<br />

Die Arbeit mit riesigen Mengen magnetisch gespeicherter<br />

Daten, etwa auf Festplatten, gehört zum Alltag.<br />

Elektronische Bauteile mit hoher Empfindlichkeit<br />

sind dafür die Basis.<br />

Um die Datenkapazitäten zu erhöhen, sind noch kleinere<br />

Bauteile notwendig. Teilweise gibt es für die Herstellung<br />

dieser winzigen Teile jedoch keine Werkzeuge mehr.<br />

Die Lösung: Man bringt die Einzelteile dazu, sich eigenständig<br />

zu dem gewünschten Produkt zusammenzufügen.<br />

Das Forscherteam um Professor Mario Ruben vom Institut<br />

für Nanotechnologie (INT) am Karlsruher Institut für<br />

Technologie (KIT) hat sich für die Produktion eines Nano-<br />

Magnetschalters einen Trick bei der Natur abgeschaut: Die<br />

Wissenschaftler brachten synthetische Haftgruppen so an<br />

Magnetmoleküle an, dass diese von selbst an der richtigen<br />

Position auf einer Nanoröhre andocken. In der Natur entsteht<br />

in einem ähnlich selbst-organisierenden Prozess<br />

beispielsweise ein grünes Blatt – ohne den Eingriff einer<br />

übergeordneten Instanz.<br />

Den Nano-Magnetschalter hat ein europäisches Team<br />

aus Wissenschaftlern des Centre National de la Recherche<br />

Scientifique (CNRS) in Grenoble und des Institut de Physique<br />

et Chimie des Matériaux der Universität Straßburg<br />

und des INT gemeinsam konstruiert. Der Schalte besteht<br />

nicht aus konventionellen anorganischen Materialien wie<br />

Silizium, Metallen oder Oxiden, sondern aus weichen<br />

Materialien wie Kohlenstoffnanoröhren und Molekülen.<br />

Magnetisch ist ein einzelnes Metallatom, Terbium, welches<br />

in organisches Material eingebettet wird. Das Terbium<br />

reagiert hochempfindlich auf externe Magnetfelder.<br />

Die Information, wie dieses Atom sich entlang eines solchen<br />

Magnetfeldes ausrichtet, wird sehr effektiv an den<br />

durch die Nanoröhre fließenden Strom weitergegeben.<br />

So gelang es der CNRS-Forschungsgruppe um Dr. Wolfgang<br />

Wernsdorfer in Grenoble, den Magnetismus im Umfeld<br />

des Nano-Schalters elektrisch auszulesen. Dies ermöglicht<br />

prinzipiell den Zugang zu höheren Speicherdichten.<br />

Es öffnet zugleich Tore zu wesentlich leistungsfähigeren<br />

Methoden der Informationsverarbeitung,<br />

beispielsweise in Quantencomputern. Das Konsortium<br />

arbeitet nun darauf hin, die Arbeitstemperaturen des Bauteiles<br />

in naher Zukunft von -272 weiter steigern zu können.<br />

Die Nano-Magnetschalter, für die es<br />

keine Werkzeuge mehr gibt, bauen sich selbst<br />

zusammen. Terbium, ein einzelnes Metallatom.<br />

Macht es möglich. Bild: KIT<br />

Karlsruher Institut für Technologie (KIT),<br />

Kaiserstraße 12,D-76131 Karlsruhe,<br />

Tel. +49 (0) 721 60 80,<br />

Internet: www.kit.edu<br />

6<br />

Wie ein ungelöstes Problem aus der<br />

Codierungstheorie RFID-Chips sicherer macht<br />

Die RFID-Technologie ist heute weit verbreitet, zu finden<br />

in Funktüröffnern oder elektronischen Reisepässen.<br />

Die Verschlüsselung der Daten und damit die Sicherheit<br />

der Technologie war lange Zeit ein Problem. Auf dem<br />

Chip fehlt der Raum für komplizierte kryptographische<br />

Algorithmen, die die sensiblen Daten wirksam schützen.<br />

Prof. Dr. Eike Kiltz, Leiter der Arbeitsgruppe „Foundations<br />

and Applications of Cryptographic Theory and der<br />

Ruhr-Universität Bochum, entwickelte mit einem internationalen<br />

Forschungsteam ein sicheres Authentifizierungsverfahren.<br />

Die Forscher griffen dabei auf ein bislang<br />

ungelöstes Problem aus der Codierungstheorie zurück.<br />

Selbst leistungsstarke Rechner bräuchten für die<br />

Lösung wohl mehrere Milliarden Jahre.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

Ein Prototyp des Chips mit der neuen Verschlüsselungstechnik<br />

entsteht nun am Lehrstuhl für eingebettete Sicherheit<br />

der Ruhr-Universität Bochum. Die Methode soll eine<br />

neue Generation RFID-Chips begründen. Der innovative<br />

Ansatz könne ebenfalls bei kryptographischen Aufgaben<br />

wie Verschlüsselungen weitere Anwendung finden.<br />

Ruhr-Universität Bochum,<br />

Fakultät für Mathematik<br />

Arbeitsgruppe „Foundations and Applications of<br />

Cryptographic Theory“,<br />

Universitätsstr. 150, D-44780 Bochum,<br />

Tel. +49 (0) 234 322 55 13,<br />

Internet: www.ruhr-uni-bochum.de


Neue Steuerung ermöglicht Kombination aus<br />

Industrierobotern und mobilem Laserscanner<br />

Ein Werkstück wird mit Laser bearbeitet, das Rückenlehnen-Teil<br />

eines Fahrersitzes. Langsam fährt der<br />

massige <strong>Roboter</strong> die Schweißnaht entlang. Insgesamt 45<br />

Sekunden dauert der Vorgang. Deutlich schneller geschieht<br />

dies unter Einsatz des neuen Steuerungskonzeptes<br />

LARISSA (Kurzform für: „LaserRobotik -Integration<br />

von Scan- und Fokussiereinheiten als hochdynamische<br />

System-Achsen“.<br />

Wissenschaftler der Hochschule Aschaffenburg haben<br />

gemeinsam mit den Projektpartnern Reis Robotics, Obernburg<br />

und Raylase AG, Weßling eine entscheidende Verbesserung<br />

im Bereich der Lasermaterialbearbeitung entwickelt.<br />

Bei Larissa wird der Laserstrahl durch eine vom<br />

<strong>Roboter</strong>arm mitgeführte Scannereinheit gezielt so abgelenkt,<br />

dass der <strong>Roboter</strong> nur relativ langsame und glatte<br />

Bewegungen ausführen muss und der Laserpunkt trotzdem<br />

schnell und präzise der vorgegebenen Bearbeitungskontur<br />

folgt. So lassen sich bei der Lasermaterialbearbeitung<br />

mit Industrierobotern deutlich höhere Geschwindigkeiten<br />

erzielen, ohne das Abstriche bei der Genauigkeit<br />

hingenommen werden müssten.<br />

Das Forschungsprojekt wurde von der Bayerischen<br />

Forschungsstiftung mit 450.000 € gefördert. Von den Fördermitteln<br />

flossen 200.000 € an die Hochschule Aschaffenburg,<br />

welche die Projektleitung innehatte und die auf<br />

einem Patent der Hochschule beruhenden grundlegenden<br />

Steuerungsalgorithmen auf einem sogenannten Rapid<br />

Control Prototyping System implementierte und<br />

erprobte. Bei der Raylase AG wurde der Prototyp eines<br />

neuen Scanners für den Einsatz an <strong>Roboter</strong>n entwickelt.<br />

Die Projektpartner (von links) Markus Lotz,<br />

Wilfried Diwischek, Eberhard Kroth, Hartmut Bruhm<br />

und Alexander Czinki sowie Erwin Wagner.<br />

Bild: Hochschule Aschaffenburg.<br />

Reis Robotics spezifizierte die Anforderungen an das zu<br />

entwickelnde Gesamtsystem, konzipierte und integrierte<br />

eigene Varianten der Steuerungsalgorithmen in die<br />

<strong>Roboter</strong>steuerung und übernahm die anwendungsnahe<br />

Erprobung. Die Firma arbeitet nun an der serientauglichen<br />

Umsetzung des entwickelten Konzeptes in ihrer<br />

industriellen <strong>Roboter</strong>steuerung.<br />

Hochschule Aschaffenburg<br />

Würzburger Strasse 45, D-63743 Aschaffenburg,<br />

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

Vom Internet der Dinge zum Internet der Dienste –<br />

Fraunhofer schafft in München sichere Systeme<br />

Die Münchner Projektgruppe Sicherheit<br />

und Zuverlässigkeit des Fraunhofer SIT<br />

(Institut für Sichere Informationstechnologie)<br />

ist seit 1. Juli eine selbstständige Einrichtung<br />

für Angewandte und Integrierte Sicherheit.<br />

Claudia Eckert, langjährige Leiterin des<br />

SIT in Darmstadt, wird die neue Einrichtung<br />

im München führen. Mit ihrem Team baute<br />

sie in den vergangenen zwei Jahren Forschungs-<br />

und Entwicklungsbereiche auf.<br />

Seit Juni 2010 wird Prof. Eckert von Prof.<br />

Georg Sigl, der 18 Jahre Industrieerfahrung<br />

im Design eingebetteter sicherer Systeme<br />

mitbringt, unterstützt. „Mit Informatikern,<br />

Elektrotechnik-Ingenieuren, Mathematikern<br />

und Betriebswirten bieten wir ein passendes<br />

Kompetenz- und Technologie-Profil für integrierte<br />

Systemsicherheit“, betont Eckert. Die Einrichtung<br />

kooperiert mit der TU München. An der Fakultät für<br />

Informatik hat Prof. Eckert den Lehrstuhl für Sicherheit<br />

in der Informatik inne. An der Fakultät für Elektrotechnik<br />

und Informationstechnik baut Prof. Sigl den Lehrstuhl<br />

für Sicherheit in der Informationstechnik auf.<br />

Claudia Eckert<br />

leitet das neue<br />

Institut für Sicherheit<br />

und Zuverlässigkeit<br />

ab 1. Juli.<br />

„Unsere Expertise in der integrierten Systemsicherheit<br />

wird in Zukunft stark gefordert<br />

und nachgefragt sein, wenn das Internet<br />

der Dinge mit dem Internet der Dienste<br />

zusammenwächst. Unternehmen, die bisher<br />

mit weitgehend isoliert betriebenen Systemen<br />

produziert haben, werden sich Cyber<br />

Physical Systems öffnen und verstärkt Sicherheitsinfrastrukturen<br />

aufbauen“, so<br />

Eckert und Sigl. „Zwei Schwerpunkte sind<br />

die Themen SmartGrid und SmartMobility<br />

inklusive Automotive-Security und Elektromobilität“,<br />

so Eckert. Die Test- und Demonstrationslabore<br />

für Hardware-Sicherheit,<br />

Netzwerksicherheit und Cloud-Sicherheit<br />

werden kontinuierlich erweitert.<br />

Fraunhofer-Gesellschaft<br />

zur Förderung der angewandten Forschung e.V.,<br />

Hansastraße 27c,<br />

D-80686 München,<br />

Tel. +49 (0) 89 120 50,<br />

Internet: www.fraunhofer.de<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

7


verband<br />

VDI ehrt Fraunhofer-Chef Hans-Jörg Bullinger<br />

Die höchste Auszeichnung, die der Verein Deutscher<br />

Ingenieure zu vergeben hat, erhielt kürzlich Prof. Dr.-<br />

Ing. Hans-Jörg Bullinger. Der VDI verlieh dem Präsidenten<br />

der Fraunhofer-Gesellschaft die Grashof-Denkmünze.<br />

VDI-Präsident Prof. Dr.-Ing. Bruno O. Braun überreichte<br />

die in Gold geprägte Münze, die an den Mitbegründer und<br />

ersten Direktor des VDI Prof. Franz Grashof erinnert, beim<br />

25. Deutschen Ingenieurtag.<br />

Braun würdigte Bullingers langjährige, herausragende<br />

Arbeit und seine Verdienste für das Ingenieurwesen. Er<br />

habe als Wissenschaftler, Hochschullehrer und Ideenmanager<br />

stets einen ganzheitlichen Ansatz bei der Behandlung<br />

von Problemen gefunden, begründete der VDI<br />

die Ehrung. Kennzeichen der Forschung von Prof. Hans-<br />

Jörg Bullinger sei die konsequente Ausrichtung auf den<br />

„<strong>Mensch</strong>en als Maß der Technik“.<br />

Bei allen Bestrebungen, die Wettbewerbsfähigkeit der<br />

deutschen Wirtschaft zu steigern, habe er frühzeitig die<br />

Bedeutung der menschengerechten Arbeitsgestaltung erkannt<br />

und setzte seine Forschungsergebnisse in die Praxis<br />

um. Damit habe er einen erheblichen Beitrag zur Verbesserung<br />

der Arbeitsqualität in Deutschland geleistet.<br />

Als Vordenker und Initiator künftiger gesellschaftlicher<br />

Entwicklungen habe er unter anderem die öffentliche<br />

Diskussion über die Entwicklung der Industriegesellschaft<br />

hin zur Dienstleistungsgesellschaft entscheidend<br />

mitgeprägt. Als Brückenbauer zwischen Wissenschaft<br />

und Wirtschaft habe Bullinger in seiner Zeit als<br />

Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts für Arbeitswirtschaft<br />

und Organisation IAO eine der führenden Institutionen<br />

für technische und prozessuale Innovationen<br />

in Europa aufgebaut.<br />

Sein Wirken als Fraunhofer-Präsident seit 2002 stehe<br />

im Zeichen der Vernetzung von Forschung mit Industrie<br />

und Politik. Gleichzeitig sehe er die Verantwortung für<br />

den Standort Deutschland und stoße immer wieder Aktivitäten<br />

an, um die Innovationsfähigkeit zu stärken und<br />

das Innovationstempo zu steigern.<br />

FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT<br />

ZUR FÖRDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V.,<br />

Hansastraße 27 c, D-80686 München,<br />

Tel. +49 (0) 89 120 50,<br />

Internet: www.fraunhofer.de<br />

Aus der Hand<br />

von VDI-Chef Prof.<br />

Bruno O. Braun (rechts)<br />

erhielt Prof. Hans-Jörg<br />

Bullinger die Grashof-<br />

Denkmünze des<br />

Ingenieurverbands.<br />

Bild: Fraunhofer.<br />

VFAale wandelt sich um zum Trägerverein<br />

Damit er künftig auch als Partner bei automatisierungstechnischen<br />

Events auftreten kann, soll aus dem Verein<br />

der Freunde und Föderer der Aale (VFAale) der Trägerverein<br />

der Aale werden. Das hat der Aale-Beirat auf seiner jüngsten<br />

Sitzung entschieden. Beschlossen werden soll die Satzungsänderung<br />

von der nächsten Mitgliederversamlung des<br />

FVAale. Ab 2012 wird zudem das Aale-Kolloquium umbenannt<br />

in „Konferenz für angewandte Automatisierungstechnik<br />

in Lehre und Entwicklung“. Diese Entscheidung<br />

trafen Aale-Beirat und der Vorstand des Fördervereins, da<br />

sich die Veranstaltung hinsichtlich Teilnehmerzahl und<br />

Qualität der Beiträge in den vergangenen Jahren zu einer<br />

Fachkonferenz entwickelt habe, was sich nun auch im Na-<br />

men widerspiegeln soll. Sie wird zum nächsten Mal am 3.<br />

und 4. Mai 2012 an der Fachhochschule Aachen stattfinden.<br />

Dort wird wieder der Aale Student Award verliehen.<br />

Alle Beiträge werden in einem Tagungsand veröffentlicht,<br />

den der Oldenbourg Industrieverlag herausgeben wird.<br />

VEREIN DER FREUNDE UND FÖRDERER DER<br />

ANGEWANDTEN AUTOMATISIERUNGSTECHNIK<br />

AN FACHHOCHSCHULEN (VFAALE E.V.),<br />

c/o Fachhochschule Düsseldorf,<br />

Fachbereich Elektrotechnik,<br />

Josef-Gockeln-Str. 9, D-40474 Düsseldorf,<br />

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

8<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


Fachverband für Sensorik wählt Vorstand wieder<br />

Der alte und<br />

gleichzeitig auch<br />

neue AMA-Vorstand<br />

(v. l. n. r.):<br />

Prof. Dr. Andreas<br />

Schütze, Peter<br />

Krause, Wolfgang<br />

Wiedemann; Johannes<br />

W. Steinebach<br />

und Peter Scholz.<br />

Bild: AMA/Manfred Gillert<br />

Die Mitglieder des AMA Fachverbands für Sensorik haben<br />

den kompletten Verbandsvorstand im Amt bestätigt.<br />

Den Vorstandsvorsitz führt für weitere zwei Jahre<br />

Wolfgang Wiedemann, STW Sensor-Technik Wiedemann<br />

GmbH. Sein Stellvertreter bleibt Peter Krause, First Sensor<br />

Technology GmbH. Johannes W. Steinebach, TWK-Elektronik<br />

GmbH, amtiert als Schatzmeister und Peter Scholz,<br />

Additive Soft- und Hardware GmbH, füllt für weitere zwei<br />

Jahre das Amt des Schriftführers aus. Ebenfalls im Amt<br />

bestätigt wurde Prof. Dr. Andreas Schütze, Universität des<br />

Saarlandes, der als Vorsitzender des Wissenschaftsrates<br />

dem AMA-Vorstand als Beisitzer angehört.<br />

Der AMA Fachverband für Sensorik wurde 1981 als<br />

Arbeitsgemeinschaft Messwertaufnehmer gegründet und<br />

zählt heute auf die Branchenkompetenz von 460 Mitgliedern<br />

aus Industrie und Wissenschaft. Vertreten sind dort<br />

85 Prozent Industrie- und 15 Prozent Institutsmitglieder.<br />

Etwa 2 300 Unternehmen der Sensor- und Messtechnik<br />

erwirtschaften mit 250 000 Beschäftigten einen Umsatz<br />

von zirka 35 Milliarden Euro.<br />

AMA FACHVERBAND FÜR SENSORIK E.V.<br />

Sophie-Charlotten-Str. 15, D-14059 Berlin,<br />

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

IT-orientierte Hersteller engagieren sich immer<br />

stärker im ZVEI-Fachverband Energietechnik<br />

Der ZVEI – Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie<br />

hat einen neuen Vorstand für die<br />

nächsten drei Jahre gewählt. Neu in dem 37-köpfigen<br />

Führungsgremium sind sieben Mitglieder: Uwe Bartmann<br />

(Siemens), Dr. Wolfgang Bochtler (Mektec), Peter<br />

Gresch (Brose Fahrzeugteile), Ute Poerschke (Elschukom),<br />

Dr. Martin U. Schefter (Eaton Industries Holding),<br />

Dr. Marc Schweizer (Schweizer Electronic) und Hans<br />

Wienands (Samsung Electronics). Die Wahl des Präsidiums<br />

durch die Vorstandsmitglieder steht noch aus.<br />

Neue Mitglieder hat auch der Vorstand des ZVEI-<br />

Fachverbands Energietechnik. Zu den neuen Vorstandsmitgliedern<br />

gehören Rada Rodriguez (Schneider Electric),<br />

Dr. Bernd Engel (SMA Solar Technology), Dr. Harald<br />

Schrimpf (PSI AG) und Dr. Martin Schumacher<br />

(ABB). Im Amt bestätigt wurden Herbert Brunner (Landis<br />

+ Gyr), Ralf Christian (Siemens AG, Energy Sector),<br />

Dieter Nieveler (Starkstrom-Gerätebau) und Dr. Wolfgang<br />

Voß (Alstom Grid). Ralf Christian, CEO der Power<br />

Distribution Division bei der Siemens AG, wurde zum<br />

neuen Vorstandsvorsitzenden gewählt. Er löst Dr. Joachim<br />

Schneider (ehemals ABB) ab, der Gründungsmitglied<br />

des Fachverbands Energietechnik war und jetzt<br />

aus Altersgründen ausscheidet. Als stellvertretende<br />

Vorstandsvorsitzende wurden Herbert Brunner und Dr.<br />

Martin Schumacher gewählt.<br />

Der Vorstandsvorsitzende nannte als seine Hauptaufgabe,<br />

die beschleunigten Veränderungen in der bundesdeutschen<br />

Energieerzeugung hin zu erneuerbaren Energien<br />

und zum nachhaltigen Netzum-/ausbau zu begleiten<br />

und die Expertise des ZVEI der Politik zur Verfügung<br />

zu stellen. Es gebe einen Schub für Innovationen<br />

in der Energietechnik (HGÜ, Smart Grid, Lastmanagement,<br />

Elektromobilität, kommunikationsfähige Stromzähler)<br />

und neue, erfolgreiche Hersteller und Dienstleister<br />

im Energietechnikumfeld, sagte Christian. Eine<br />

neue Entwicklung sei, dass zunehmend IT-orientierte<br />

Hersteller im Fachverband Energietechnik aktiv mitarbeiteten.<br />

„Wir sehen insgesamt günstige Geschäftsaussichten<br />

für innovative Produkte in den nächsten Jahren“,<br />

betonte Christian.<br />

ZVEI - ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK- UND<br />

ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V.,<br />

Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main,<br />

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

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

9


10<br />

branche<br />

Mario Hoernicke und Andreas Wiesner erhielten<br />

den <strong>atp</strong> Award für die besten Veröffentlichungen<br />

Für Mario Hoernicke und Andreas Wiesner verlief der<br />

Kongress Automation 2011 besonders erfolgreich. Die<br />

beiden jungen Ingenieure wurden bei der Tagung in<br />

Baden-Baden mit dem <strong>atp</strong> Award für die besten Beiträge<br />

ausgezeichnet, die 2010 in <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> veröffentlicht wurden.<br />

Chefredakteur Prof. Leon Urbas überreichte den<br />

Die Gewinner des <strong>atp</strong> Awards: Andreas Wiesner (links)<br />

und Mario Hoernicke (Mitte). Prof. Leon Urbas (rechts),<br />

Chefredakteur der <strong>atp</strong> <strong>edition</strong>, überreichte die Auszeichnungen.<br />

Preisträgern die mit jeweils 2 000 Euro dotierten Auszeichnungen<br />

im Plenum des Kongresses.<br />

Mit dem Preis, der ideell an die kompletten Autorenteams<br />

geht, werden die besten Beiträge aus Hochschule<br />

und Industrie gewürdigt – den Geldpreis erhält das jüngste<br />

Teammitglied, das nicht älter als 35 Jahre sein darf.<br />

Mario Hoernicke und sein Kollege Rainer Drath erhielten<br />

die Auszeichnung in der Kategorie „Industrie“ für ihren<br />

in der Ausgabe 7-8/2010 der <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> veröffentlichten<br />

Beitrag „Sichere SPS-Funktionsbausteine effizient<br />

entwickeln – Formale Funktionsbeschreibung von Automaten“.<br />

Der Beitrag überzeugte die Jury in allen vier Kategorien<br />

Wissenschaftlichkeit, Verständlichkeit, Neuigkeit<br />

und Praxisrelevanz. Beide Autoren sind bei ABB tätig.<br />

Andreas Wiesner hatte gemeinsam mit Michael<br />

Wiedau, Wolfgang Marquardt (alle RWTH Aachen), Heiner<br />

Temmen, Hannes Richert und Felix Anhäuser (alle<br />

Evonik Degussa) veröffentlicht. Ihr Beitrag hieß „Wissensbasierte<br />

Integration von Anlagenplanungsdaten –<br />

Semantische Technologien bieten großes Potenzial“.<br />

Wiesner erhielt den Preis in der Kategorie „Hochschule“.<br />

An der Tagung Automation 2011 nahmen deutlich<br />

mehr Besucher teil als im Jahr zuvor. Ihre Zahl stieg von<br />

350 auf 440, wie Dr. Kurt D. Bettenhausen, Vorsitzender<br />

der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik<br />

GMA betonte. Er nutzte die Tagung auch, um<br />

eine neue Image-Initiative des GMA vorzustellen. Die<br />

Broschüre „Die Zukunft kommt – ganz automatisch“ soll<br />

dazu beitragen, die Wahrnehmung der Automatisierung<br />

als Leittechnologie in der Öffentlichkeit zu stärken (siehe<br />

auch Editorial dieser Ausgabe).<br />

Querschnittsthema funktionale Sicherheit:<br />

VDE stellt Informationen gebündelt zur Verfügung<br />

Funktionale Sicherheit ist ein wichtiges Querschnittsthema,<br />

in dem Experten aus verschiedenen<br />

Fachgebieten eng zusammenarbeiten<br />

müssen. Deswegen bündelt der VDE auf<br />

seiner neuen Internetseite www.vde.com/funktionale-sicherheit<br />

zahlreiche Informationen,<br />

Links zu Komitees, Publikationen und Infos zu<br />

Veranstaltungen rund um dieses Thema.<br />

Mikro- oder Embedded-Rechner spielen<br />

eine immer bedeutendere Rolle und übernehmen<br />

stetig mehr Sicherheitsfunktionen.<br />

Sie wachen über die Sicherheit in zahlreichen<br />

Anwendungen von Industrie bis Alltag<br />

und verhindern Unfälle: Sie sorgen dafür,<br />

dass Maschinen im Fehlerfall in eine sichere<br />

Ausgangsposition fahren, Eisenbahnzüge<br />

auf das richtige Gleis mit der richtigen Geschwindigkeit<br />

gelenkt werden, sie kontrollieren die<br />

Umsetzung der Bremswirkung oder die der Lenkung<br />

im Automobil und lösen Airbags aus.<br />

„Wenn Mikrorechner in sicherheitsgerichteten Steuerungen<br />

ihre Sicherheitsfunktionen zuverlässig erbrin-<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

Ingo Rolle,<br />

„Die funktionale<br />

Sicherheit zu<br />

gewährleisten,<br />

ist ein enorme<br />

Herausforderung.“<br />

Bild: VDE<br />

gen, sprechen wir von funktionaler Sicherheit“,<br />

erklärt VDE-Normungsexperte Ingo<br />

Rolle. Die Grundsätze für die Auslegung sicherheitsgerichteter<br />

Steuerungen finden sich<br />

in der Norm IEC 61508, in Deutschland übernommen<br />

als DIN EN 61508 (VDE 0803). Für<br />

die Industrie spielt die funktionale Sicherheit<br />

eine immer wichtigere Rolle, weil in den Anwendungen<br />

entsprechende Sicherheitsfunktionen<br />

realisiert werden müssen und dazu in<br />

Halbleiter- und Automobilindustrie, Automation<br />

oder IT die komplexen Technologien<br />

verknüpft werden müssen. „Für die Hersteller<br />

stellt es eine enorme Herausforderung dar,<br />

die funktionale Sicherheit mithilfe ihrer<br />

hochentwickelten Produkte, Systeme und<br />

Prozesse zu gewährleisten“, betont Rolle.<br />

VDE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK<br />

INFORMATIONSTECHNIK E.V.,<br />

Stresemannallee 15, D-60596 Frankfurt am Main,<br />

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


Prozessleittechnik: Namur-Hauptsitzung stellt die<br />

Trends und Herausforderungen der Zukunft vor<br />

Die Prozessleittechnik hat sich in den vergangenen Jahrzehnten<br />

permanent weiterentwickelt und ist dabei zu<br />

einem unverzichtbaren Faktor der Wertschöpfung in der<br />

Produktion der Prozessindustrie geworden. Sie wird sich<br />

auch in Zukunft fortentwickeln, zum einen, weil die technologische<br />

Entwicklung bei Prozessleitsystemen, bei Sensoren<br />

und Aktoren neue Anwendungen ermöglichen<br />

wird, zum anderen, weil die sich abzeichnenden Entwicklungen<br />

in der Verfahrenstechnik diese erfordern werden.<br />

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

November in Bad Neuenahr vorgenommen, einen Blick in<br />

die Zukunft der Prozessleittechnik zu werfen. Als Partner<br />

für die Hauptsitzung konnte die Namur die Firma ABB<br />

gewinnen. Welche Möglichkeiten die Prozessleittechnik<br />

der Gegenwart bietet und welche Richtung die Entwicklung<br />

in naher Zukunft aus Sicht von ABB nehmen kann,<br />

wird der Vorstandsvorsitzende der deutschen ABB AG, Dr.<br />

Peter Terwiesch, in seinem Plenarvortrag erläutern.<br />

Doch die Automatisierung verfahrenstechnischer Anlagen<br />

als zweifelsohne zentraler Bestandteil der Leittechnik<br />

ist nur ein Aspekt, den die Betreiber und Ausrüster derartiger<br />

Anlagen zu betrachten haben. Die Herausforderungen<br />

unter Berücksichtigung von Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen,<br />

Effizienzsteigerungen, des globalen Wettbewerbs,<br />

aber verstärkt auch umweltrelevanter Faktoren verlangen<br />

eine ganzheitliche Betrachtung, die bei der Planung einer<br />

leittechnischen Anlage beginnt und erst nach vielen Jahren<br />

mit der Außerbetriebnahme einer Produktionsanlage endet.<br />

Ein entsprechendes Life-Cycle-Management inklusive<br />

Indexierung, Migrations- und Evolutionsstrategien sorgt<br />

dafür, dass die leittechnische Ausrüstung einer Prozessanlage<br />

zuverlässig, zukunftssicher und einfach bedienbar<br />

bleibt, während sie gleichzeitig vom technischen Fortschritt<br />

in der Informations- und Kommunikationstechnik<br />

profitiert. „Für ABB ist die Veranstaltung eine hervorragende<br />

Gelegenheit, über zwei Tage hinweg mit den Anwendern<br />

die aktuellen Möglichkeiten der modernen Prozess-<br />

leittechnik und über Trends und Zukunftsperspektiven zu<br />

diskutieren“, freut sich Rüdiger Jung, Leiter der deutschen<br />

ABB-Geschäftseinheit Chemie, Öl & Gas. „Das hilft uns,<br />

die Bedürfnisse des Marktes aufzunehmen und diese in<br />

unseren Produkten und Systemen umzusetzen“.<br />

Die Namur wird in Ko-Referaten in der Plenarsitzung<br />

am Donnerstag den Standpunkt der Anwender mit Vorträgen<br />

zu Themenbereichen wie „Leitsysteme als Produktionsfaktor“<br />

und der „Akzeptanz von gehobenen Regelungsstrategien<br />

in der Anwendung“ darlegen. Zudem wird<br />

in dieser Sitzung über die Ergebnisse einer Umfrage unter<br />

Herstellern und Anwendern von Leitsystemen berichtet.<br />

Dr. Peter Terwiesch,<br />

Vorstandschef von ABB Deutschland,<br />

wird bei der Namur-Hauptsitzung<br />

erläutern, welche Möglichkeiten<br />

die Prozessleittechnik der Gegenwart<br />

bietet und welche Richtung<br />

die Entwicklung in naher Zukunft<br />

nehmen kann. Bild: ABB<br />

Ein weiterer Themenschwerpunkt ist die FDI-Technologie,<br />

die kurz vor der Marktreife steht. Mit ihrer Hilfe<br />

wird die langjährige Anwenderforderung erfüllt, mit möglichst<br />

geringem Aufwand Instrumentierung und Leitsysteme<br />

unterschiedlicher Hersteller beliebig zu kombinieren.<br />

Mit anderen führenden Leittechnik-Ausrüstern hat<br />

ABB federführend einen Standard für die notwendigen<br />

Engineering-Werkzeuge erarbeitet und zeigt in der begleitenden<br />

Ausstellung erstmalig ein Funktionsmodell, welches<br />

die Interoperabilität demonstriert.<br />

NAMUR – GESCHÄFTSSTELLE,<br />

c/o Bayer Technology Services GmbH,<br />

Gebäude K 9, D-51368 Leverkusen,<br />

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

Cyril Perducat bleibt Vorstandschef der ODVA<br />

ODVA, die Organisation, zur Unterstützung von Netzwerktechnologien<br />

auf Basis von Common Industrial Protocol<br />

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

hat den Vorstand neu bestimmt. Bei der Mitgliederversammlung<br />

in Litchfield Park (USA) wurden wiedergewählt: Cyril<br />

Perducat (Senior Vice President for Plant Solutions and System<br />

Consistency, Schneider Electric), Frank Kulaszewicz<br />

(Senior Vice President for Architecture and Software, Rockwell<br />

Automation), Michael Höing (Vice President for Electronics<br />

Business, Weidmüller Interface), Chet Namboodri<br />

(Global Director for Manufacturing for Industry Solutions<br />

and Marketing, Cisco Systems), Ryuji Yamasaki (General<br />

Manager for Drives Development, Industrial Automation<br />

Business, Omron. Neu im Vorstand ist Bernd-Josef Schäfer,<br />

Executive Vice President for Engineering and Manufacturing<br />

(Electric Drives and Controls) bei Bosch Rexroth.<br />

Der ODVA-Vorstand ernannte Cyril Perducat erneut<br />

zum Vorstandsvorsitzenden, Frank Kulaszewicz zum<br />

Schatzmeister sowie Richard Harwell von Eaton Electrical<br />

zum technischen Direktor (CTO). Außerdem<br />

wurde die langjährige ODVA-Mitarbeiterin, Katherine<br />

Voss erneut zum Executive Director ernannt.<br />

Als CTO ist Harwell Vorstand des Technical Review<br />

Boards (TRB), das sich aus Vertretern von ODVA-Mitgliedern<br />

zusammensetzt und für die technischen Standards<br />

der Netzwerke zuständig ist. Das TRB der ODVA<br />

setzt sich nun aus den bisherigen Mitgliedern David<br />

VanGompel von Rockwell Automation, Jeff Jurs von Omron,<br />

Paul Didier von Cisco Systems, Rudy Belliardi von<br />

Schneider Electric und Damien Leterrier von Molex zusammen.<br />

Ludwig Leurs von Bosch Rexroth und Joakim<br />

Wiberg von HMS Industrial Networks stoßen neu hinzu.<br />

ODVA,<br />

Ann Arbor, Michigan USA, Tel. +1 734 975 88 40<br />

Internet: www.odva.org<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

11


anche<br />

Wireless-Einsatzszenarien für Stellgeräte<br />

in der Prozessautomation<br />

Welche Infrastruktur lohnt sich und ist technisch möglich?<br />

Die Anforderungen an die wireless-Technolgie für den<br />

Einsatz im verfahrenstechnischen Umfeld weichen<br />

in wesentlichen Punkten von denen im privaten oder<br />

Bürobereich ab. Mittlerweile stehen mit Wireless Hart,<br />

ISA SP100, ZigBee und anderen Lösungen auch für den<br />

Einsatz im industriellen Umfeld verschiedene Funkstandards<br />

zur Verfügung, und erste Feldversuche haben gezeigt,<br />

dass das Übertragungsmedium „Luft“ hier durchaus<br />

geeignet ist, wenn entsprechende Randbedingungen<br />

eingehalten werden [1] [6]. Doch unter welchen Voraussetzungen<br />

ist hier eine drahtlose Infrastruktur technisch<br />

und wirtschaftlich sinnvoll, und welche Geräte lassen<br />

sich überhaupt wirklich drahtlos betreiben?<br />

1. Wireless in der Prozessautomation sinnvoll<br />

einsetzen<br />

Die Installation eines drahtlosen Übertragungssystems<br />

macht dort Sinn, wo keine geeignete andere Kommunikationsinfrastruktur<br />

bereits zur Verfügung steht oder<br />

mit vertretbarem Aufwand hergestellt werden kann.<br />

Oft wird als Szenario für den Einsatz von Wireless<br />

Hart das Nachrüsten von Hart über Wireless Adapter<br />

genannt, um in Verbindung mit nicht Hart-fähigen Systemen<br />

einen temporären oder permanenten Zugriff auf<br />

die Feldgeräte über Engineering Tools oder Asset Management<br />

Systeme zu ermöglichen. Hier sollte zuvor<br />

betrachtet werden, ob nicht die Nachrüstung von Hart-<br />

Multiplexern die technisch oder wirtschaftlich bessere<br />

oder einfachere Lösung darstellt. Versuche zeigten, dass<br />

die verfügbaren Wireless-Hart-Komponenten keine bessere<br />

Performance bezüglich der Netto-(Nutzdaten-) Übertragungsrate<br />

bieten als die am Markt verfügbaren Multiplexerlösungen<br />

(bei gleichem Mengengerüst).<br />

Beim Überbrücken großer Distanzen oder Hindernisse<br />

wie beispielsweise Wasser- oder Schienenwege kann der<br />

Einsatz von Funktechnik wirtschaftlich sinnvoll sein.<br />

Hier kommen keine Mesh-Netzwerke wie etwa Wireless<br />

Hart zum Einsatz, sondern besser WLAN-Richtfunkstrecken.<br />

Der Einsatz drahtloser Übertragung sollte dann<br />

erwogen werden, wenn Teile der Installation auf beweglichem<br />

oder rotierendem Equipment angeordnet sind. Hier<br />

ist zu prüfen, ob die Anzahl und Topologie der anzubindenden<br />

Prozess- oder Steuersignale den Einsatz eines<br />

komplexen standardisierten Netzwerks rechtfertigt. Gerade<br />

wenn nur einzelne dieser Signale „beweglich“ angeordnet<br />

sind, kann es sinnvoll sein, das Mess- oder Stellgerät<br />

aufzuteilen in einen ortsfesten und einen nicht ortsfesten<br />

Teil. Der nicht ortsfeste Teil beinhaltet die eigentliche<br />

Messung oder den Aktor. Über eine geeignete nicht<br />

drahtgebundene Verbindung wird das Mess- oder Steuersignal<br />

an den ortsfesten Teil des Geräts übertragen. Dieser<br />

wird dann über die in der Anlage genutzte Infrastruktur<br />

(4-20 mA, Hart, Feldbus) standardisiert in das Leit- oder<br />

Asset Management System eingebunden.<br />

2. Anforderungen der Aktorik<br />

Stellgeräte als komplexe Feldgeräte erfüllen neben ihrer<br />

Hauptaufgabe, dem Verändern von Stoffströmen, zunehmend<br />

Diagnose- und Asset Management-Funktionen [3]<br />

[5]. Damit wird gerade ihre Einbindung in die Leit- und<br />

Asset-Management-Systeme zur zentralen Herausforderungen<br />

hin zur durchgängigen Informationsarchitektur<br />

[2] [4]. Sollen Geräteeinstellung, Diagnose- und Asset<br />

Management Daten drahtlos übertragen werden und soll<br />

der Stellwert des Aktor über die Funkverbindung übermittelt<br />

werden, stellen Stellgeräte hohe Anforderungen<br />

an die Sicherheit und Verfügbarkeit der Übertragungsstrecke.<br />

Im Gegensatz zu Messgeräten haben Stellgeräte<br />

einen permanenten Eingriff in den Prozess und benötigen<br />

permanent Energie, um einen bestimmten Ausgangszustand<br />

(zum Beispiel die Ventilstellung) aufrecht<br />

zu erhalten. Daher stellen sie andere Anforderungen an<br />

die Energieversorgung als etwa eine drahtlose Temperaturmessung,<br />

die nur einmal innerhalb mehrerer Minuten<br />

einen Messwert liefern muss.<br />

3. Einsatzszenarien für Aktoren<br />

Grundsätzlich sind für den Einsatz von Stellgeräten in<br />

drahtlosen Netzwerken drei verschiedene Szenarien<br />

denkbar. Sie unterscheiden sich im Wesentlichen durch<br />

die Art der übertragenen Informationen und die Art der<br />

Versorgung mit elektrischer Hilfsenergie.<br />

3.1 Wireless Konfiguration und Diagnose im Feld<br />

Das Stellgerät ist über einen im Wireless Adapter oder<br />

eine im Stellungsregler integrierte Funkanschaltung an<br />

das Funknetz angebunden. Der Stellungsregler sowie die<br />

Funkanschaltung werden über die Stromschleife mit<br />

mindestens 4 mA versorgt Der Prozesswert (der Sollwert<br />

der Ventilstellung) wird ebenfalls über die Stromschleife<br />

übertragen (Bild 1). Die elektrische Energieversorgung<br />

des Stellungsreglers und der Funkanschaltung erfolgen<br />

aus der Stromschleife. Für jedes Gerät ist eine Leitung<br />

erforderlich. Das Funknetzwerk bietet den temporären<br />

oder permanenten Zugriff für das Engineering Tool oder<br />

Asset-Management-System.<br />

3.2 Wireless Control<br />

Die elektrische Energieversorgung des Stellgeräts mit<br />

Stellungsregler mit integriertem Funkmodul erfolgt<br />

“Field Powered” aus einer zentralen Versorgung (Bild 2).<br />

„Eine“ Leitung versorgt so alle Geräte mit elektrischer<br />

Hilfsenergie. Der Prozesswert (der Sollwert der Ventilstellung)<br />

wird ebenso wie die Engineering- und Diagnoseinformationen<br />

über das Funknetzwerk übertragen. Die<br />

Übertragung des Ventilsollwerts stellt besondere Anforderungen<br />

an das verwendete Funknetzwerk. In der Regel<br />

sind bei Closed Loop Anwendungen Updateraten von 1<br />

Sekunde oder kürzer erforderlich. Dies schränkt die Verwendung<br />

von Wireless Hart auf Open-Loop-Anwendungen<br />

mit deutlich langsameren Updateraten ein.<br />

3.3 “Real” Wireless Control<br />

Im nächsten Schritt wird elektrische Hilfsenergie entweder<br />

aus einer Batterie entnommen oder zum Beispeil<br />

aus der pneumatischen Hilfsenergieversorgung erzeugt.<br />

12<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


Zugriff auf die diagnoseinformationen<br />

Zentral über Asset Management System<br />

des Betreibers über Gateway<br />

Lokal über Maintenance Tools<br />

(z.B. Notebook mit Adapter)<br />

Mobil über PDA oder Hand Held<br />

Bild 1:<br />

„Wireless Engineering“<br />

mit „Wired Control<br />

& Energy“<br />

4 ... 20 mA<br />

Zentrale<br />

Versorgung<br />

z.B. 24V<br />

Mögliche Energieversorgung für<br />

„Wireless“ Stellugsregler<br />

„Field Powered“ aus zentraler Versorgung<br />

z.B. 24V DC<br />

Elektrische Energieversorgung des Stellungsreglers<br />

und der Wireless Anschaltung aus der<br />

zentralen Versorgung<br />

„Eine“ Leitung versorgt alle Geräte<br />

Prozesswert über Wireless<br />

Bild 2:<br />

„Wireless Control“<br />

mit „Wired Energy“<br />

Zentrale<br />

Versorgung<br />

z.B. 24V<br />

Auch andere Arten von „Energy Harvesting“ sind denkbar.<br />

Diese elektrische Energie versorgt sowohl den Stellungsregler<br />

als auch die Wireless-Anschaltung. Eine<br />

Verkabelung im Feld ist nicht notwendig (Bild 3). Der<br />

Prozesswert (der Sollwert der Ventilstellung) wird ebenso<br />

wie die Engineering- und Diagnoseinformationen über<br />

das Funknetzwerk übertragen. Bezüglich der Updateraten<br />

gelten die gleichen Randbedingungen wie unter 3.2.<br />

4. Einordnung der Einsatzszenarien für Aktoren<br />

Das unter 3.1. beschriebene Szenario ist mit den heutigen<br />

Standards umsetzbar. Allerdings macht es nur Sinn,<br />

wenn die Kommunikation zu den Feldgeräten (etwa<br />

durch Nachrüstung von Hart-Multiplexern) aus technischen<br />

oder räumlichen Gründen nicht realisierbar ist<br />

oder mehr Aufwand bedeutet. Es werden nur Zusatzinformationen<br />

über Funk übertragen. Das Prozesssignal<br />

vermittelt weiterhin die Stromschleife. Es ist somit von<br />

einem Ausfall der Funkverbindung nicht betroffen.<br />

Bei dem unter 3.2. beschriebenen Szenario handelt es<br />

sich um das klassische 4-Leiter-Prinzip, die Energieversorgung<br />

erfolgt über eine Standard-Versorgung, lediglich<br />

das Signalkabel wird durch das Funknetzwerk ersetzt.<br />

Es werden Prozess- und Zusatzinformationen drahtlos<br />

übertragen. Hier stellt sich die Frage, ob diese Lösung<br />

wirtschaftlich ist oder nicht der Einsatz eines Feldbusses<br />

vorzuziehen ist.<br />

Bei dem Szenario unter 3.3. schließlich entfällt die<br />

drahtgebundene Energieversorgung. Die Versorgung mit<br />

elektrischer Energie obliegt der jeweiligen Messstelle.<br />

Prozess- als auch Zusatzinformationen werden drahtlos<br />

übertragen.<br />

Die Szenarien unter 3.2. und 3.3. sind kombinierbar,<br />

sie unterscheiden sich in der Art der Energieversorgung.<br />

Bezüglich der Sicherheit und Verfügbarkeit der Übertragungsstrecke<br />

als auch der Update-Raten stellen sie jedoch<br />

ganz andere Anforderungen an die eingesetzte<br />

Funktechnologie als das erste Szenario. So sind Update-<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

13


anche<br />

mögliche energieversorgung für<br />

„Wireless“ Stellungsregler<br />

Batterie oder „Energy Harvesting“<br />

Elektrische Energieversorgung des Stellungsreglers<br />

und der Wireless Anschaltung aus der<br />

lokalen Erzeugung<br />

Keine Verkabelung im Feld notendig<br />

Prozesswert über Wireless<br />

Zentrale<br />

Versorgung<br />

z.B. 24V<br />

Bild 3: „Real Wireless Control“ ohne Kabel<br />

Bild 4: Faceplate eines Stellungsreglers,<br />

Anzeige von zusätzlichen<br />

Messwerten und dem NAMUR Status<br />

im PLS über Wireless HART<br />

Zyklen der Mess- und Stellwerte im Sekundenbereich<br />

oder kürzer gefordert, die von den zurzeit verfügbaren<br />

Standards nur schwer oder gar nicht erreichbar sind. Die<br />

Verfügbarkeit des Netzwerks unter Einfluss von sich ändernden<br />

Strukturen (Fahrzeuge, Gerüste) oder nicht eingeplanten<br />

Störsendern muss anders bewertet werden.<br />

5. Anwendernutzen durch Zugang zu<br />

zusätzlichen Geräteinformationen<br />

Moderne smarte Stellungsregler bieten viele erweitertete<br />

Diagnose- und Überwachungsfunktionen [3]. In vielen<br />

Fällen ist der Zugriff auf diese Möglichkeiten ist über<br />

das vorhandene Leitsystem nicht möglich. Es muss dann<br />

unter hohem Aufwand lokal auf die Geräte zugegriffen<br />

und die Daten im wahrsten Sinne des Wortes „eingesammelt“<br />

werden. Eine drahtlose Infrastruktur (3.1) bietet<br />

einen Ausweg, diese Daten und Funktionen einem Asset-<br />

Management-System durchgängig zur Verfügung zu stellen,<br />

ohne das bestehende System zu verändern.<br />

Die entstehenden Möglichkeiten reichen von aktuellen<br />

Informationen über Zustand und Performance eines gesamten<br />

Stellgeräts bis hin zur anlagenweiten Auswertung<br />

der Zustandsinformationen der Stellgeräte. In einer<br />

anlagenweiten Datenbank werden diese Zustandsinformationen<br />

zugeordnet zu den Messstellen gesammelt, um<br />

über geeignete Analyse- und Reporting-Funktionen noch<br />

weitergehende Aussagen über den Zustand und die Performance<br />

der Stellgeräte und damit auch über die Anlage<br />

selbst zu erhalten.<br />

Stellungsregler bieten die Möglichkeit, unter Nutzung<br />

eines patentierten Verfahrens auf Basis intern gemessener<br />

Signale den Differenzdruck am Ventil zu ermitteln.<br />

In Kombination mit weiteren Informationen zum Stellgerät<br />

(unter anderem Ventilkennlinie) ermöglichen die<br />

Stellungsregler die gute Abschätzung des Durchfluss<br />

durch das Ventil direkt im Stellungsregler. Entweder<br />

leitungsgebunden oder über eine drahtlose Kommunikationsverbindung<br />

kann dieser Durchflusswert sowie<br />

weitere Prozess- und Statusinformationen direkt zyklisch<br />

an das System übermittelt werden. Mit geringem<br />

Aufwand wird eine zusätzliche Messgröße aus dem Prozess<br />

gewonnen. Diese kann zur Optimierung der Anlagenfahrweise<br />

herangezogen werden (Bild 4).<br />

6. Zusammenfassung<br />

Die Entscheidung, drahtlose Kommunikationstechnologien<br />

in der Prozessautomation einzusetzen, muss im<br />

Einzelfall entschieden werden. Sie macht nur dort Sinn,<br />

wo sich ein wirtschaftlicher Vorteil daraus ergibt. In<br />

vielen Fällen mag das auf einzelne Bereiche einer Installation<br />

zutreffen, aber sicher nicht den flächendeckenden<br />

Einsatz in einer gesamten Anlage rechtfertigen.<br />

Der durchgängige Zugang zu erweiterten Funktionen<br />

von Feldgeräten wie den unter 5 beschriebenen smarten<br />

Stellgeräten kann in vielen Fällen einen solchen Vorteil<br />

darstellen.<br />

So werden sich sicher hybride Strukturen ausbilden,<br />

wie auch heute schon im „drahtgebundenen“ Bereich<br />

einer Anlage in den verschiedenen Bereichen unterschiedliche<br />

Übertragungsmedien eingesetzt werden.<br />

Entscheidend ist nicht eine durchgehende Übertragungsphysik,<br />

sondern der durchgängige Informationsfluss hin<br />

zur durchgängigen Informationsarchitektur.<br />

14<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


eferenzen<br />

[1] Schwibach, M., Klettner, Ch.: Praxisbericht:<br />

WirelessHART im Feldtest, <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> 1-2 / 2010<br />

[2] Kiesbauer, J., Erben, S.: Integration kommunikationsfähiger<br />

Stellgeräte in Leitsysteme.<br />

Vortrag Automation 2008, <strong>atp</strong> – Automatisierungstechnische<br />

Praxis, Heft 8, 2008<br />

[3] Kiesbauer, J., Erben, S., Hoffmann, D.: Neue Asset<br />

Management-Konzepte bei Stellventilen (Aktorik).<br />

Vortrag Automation 2010, <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> 3 / 2011<br />

[4] NAMUR Empfehlung NE 105: Anforderungen an die<br />

Integration von Feldbusgeräten in Engineering Tools<br />

für Feldgeräte<br />

[5] NAMUR Empfehlung NE 107: Selbstüberwachung und<br />

Diagnose von Feldgeräten<br />

[6] NAMUR Empfehlung NE 124: Anforderungen an<br />

Wireless Automation<br />

Die Referenzklasse für die<br />

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Autoren<br />

Dr.-Ing. Jörg Kiesbauer<br />

(geb. 1960) ist Mitglied des<br />

Vorstandes Forschung und<br />

Entwicklung der Samson AG.<br />

Samson AG,<br />

Weismüllerstraße 3, D-60314 Frankfurt am Main,<br />

Tel. +49 (0) 69 40 09 13 00,<br />

E-Mail: drjkiesbauer@samson-ag.com<br />

Dipl.-Ing. Stefan Erben<br />

(geb. 1964) leitet die Entwicklung<br />

Elektronik Industrie der<br />

Samson AG. Seine Hauptarbeitsfelder<br />

umfassen die<br />

Forschung und Entwicklung<br />

auf dem Gebiet der intelligenten<br />

Feldgeräte sowie der<br />

elektronischen Prozessregler<br />

für den industriellen Einsatz, die Integration<br />

dieser Geräte in offene Systeme sowie die<br />

Mitarbeit in Gremien verschiedener herstellerunabhängiger<br />

Organisationen (Profibus Nutzerorganisation,<br />

Fieldbus Foundation, Hart Communication<br />

Foundation, FDT-Group).<br />

Samson AG,<br />

Weismüllerstraße 3, D-60314 Frankfurt am Main,<br />

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

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anche<br />

Berührungslose Sensoren sparen Kosten und<br />

steigern die Sicherheit der Kraftwerksteuerung<br />

Magnetostriktive Messtechnik registriert robust und zuverlässig Ventilstellungen<br />

m ägyptischen Dampfkraftwerk Shoubra El Kheima erfassen<br />

nach einer Modernisierurng magnetostriktive<br />

I<br />

Temposonics Positionssensoren von MTS die Stellung<br />

der Umleit- und Einspritzventile. Ihre robuste Wegmessung<br />

und die komfortable Programmierung mit einem<br />

Einbau-Programmer führen zu einer deutlichen Zeitund<br />

Kostenersparnis. Für alle 28 Sensoren an den Umleit-<br />

und Einspritzventilen bedeutet das fast 12 Stunden<br />

weniger Aufwand. Auch bei der Inbetriebnahme der<br />

einzelnen Kraftwerksblöcke nach der Modernisierung<br />

konnte durch die komfortable Programmierung sehr viel<br />

Zeit eingespart werden.<br />

Zuverlässigkeit und hohe Verfügbarkeit spielten eine<br />

große Rolle, als der Energiebereich der Siemens AG im<br />

Jahr 2005 den Auftrag erhielt, die Leittechnik im<br />

Dampfkraftwerk Shoubra El-Kheima in Kairo zu modernisieren.<br />

Das Wärmekraftwerk erzeugt eine Leistung<br />

von insgesamt 1260 MW aufgeteilt auf vier Blöcke mit<br />

je 315 MW. Für die Positionsmessung an den verschiedenen<br />

Ventilen wählte Siemens magnetostriktive Temposonics-Positionssensoren<br />

von MTS aus.<br />

Im Kraftwerk Shoubra El-Kheima sitzen an jedem<br />

Kraftwerksblock ein Hochdruck- und zwei Niederdruck-<br />

Umleitventile, die im Normalbetrieb der Dampfturbine<br />

geschlossen sind. Bei Turbinenschnellschluss – etwa bei<br />

einer Netzstörung – kann die Turbine den erzeugten<br />

Dampf nicht mehr übernehmen. In diesem Fall wird der<br />

Dampf über das Bypasssystem in den Zwischenüberhitzer<br />

beziehungsweise bis in den Kondensator umgeleitet.<br />

Die Einlass- und Abfangventile vor den Turbinen fahren<br />

innerhalb von 200 ms zu, und die Umleitventile öffnen<br />

sich, um den überschüssigen Dampf in den Kondensator<br />

umzuleiten und Turbinenschäden durch Überdrehzahl<br />

zu vermeiden.<br />

BYPASSSYSTEM SCHONT DIE ANLAGEN<br />

Im laufenden Betrieb erfasst ein Druckgeber den Druck<br />

im Kessel als Eingangsgröße für den Stellungsregelkreis<br />

des Hochdruck-Umleitventils. Entsprechend der Abweichung<br />

dieses Signals vom Sollwert bei Turbinenschnellschluss<br />

öffnet sich das Hochdruck-Umleitventil und<br />

regelt den Kesseldruck. Die Niederdruck-Umleitventile<br />

regulieren den Druck im Zwischenüberhitzer-System.<br />

Neben der Dampfabführung bei Turbinenschnellschluss<br />

ist eine Hauptaufgabe des Bypasssystems, beim<br />

Anfahren des Kessels den Dampf so lange umzuleiten,<br />

bis er sauber genug ist, um in die Turbine zu strömen.<br />

Auch spannungsbedingte Risse, die während des Anfahrvorgangs<br />

durch hohe Temperaturunterschiede zwischen<br />

dem äußeren und inneren Bereich der Turbine<br />

entstehen, werden so vermieden.<br />

Hinter dem Hochdruck-Umleitventil befinden sich<br />

zwei Ventile für die Wassereinspritzung. Das erste Ventil<br />

führt eine Druckreduzierung des Speisewassers herbei,<br />

während das zweite für die Temperaturregelung des<br />

Dampfs sorgt. Die Niederdruck-Umleitventile besitzen je<br />

ein Einspritzventil. Das eingespritzte Kondensat enthitzt<br />

den Umleitdampf vor Eintritt in den Kondensator.<br />

BERÜHRUNGSLOS UND VERSCHLEISSFREI<br />

Für die Aufnahme der Ventilstellung sitzen im Kraftwerk<br />

Shoubra El-Kheima an den Umleitventilen und an den<br />

Einspritzventilen Positionssensoren der Temposonics-R-<br />

Serie in Profilbauform (Modell RP). Der Sensor ist von<br />

außen fest an der Laterne des Ventils montiert. Sein Positionsmagnet<br />

ist über eine Schubstange mit der Ventilkupplung<br />

verbunden und bewegt sich über das Sensorprofil,<br />

sobald sich die Ventilstellung ändert. Die Sensoren<br />

arbeiten nach dem magnetostriktiven Messprinzip, sodass<br />

die Positionserfassung berührungslos und verschleißfrei<br />

erfolgt. Der Magnet überträgt die Positionsinformation<br />

ohne Kontakt über magneto-mechanische Effekte<br />

ins Innere des Sensors.<br />

Da die Hydraulikzylinder der Umleit- und Einspritzventile<br />

bei der Modernisierung des Kraftwerks nicht<br />

ausgetauscht wurden, konnte Siemens die RP-Sensoren<br />

durch den äußeren Anbau an den Zylinder einfach nachrüsten.<br />

Für den Neubau oder den Austausch der Antriebstechnik<br />

gibt es im Produktprogramm von MTS<br />

zudem Sensoren in Stabform, die sich besonders gut für<br />

die direkte Integration in den Zylinder eignen.<br />

Neben den RP-Sensoren an den Umleit- und Einspritzventilen<br />

sind im Dampfkraftwerk weitere 64 Positionssensoren<br />

des Modells Temposonics EP an den verschiedenen<br />

Regelventilen im Kesselhaus verteilt. Diese Ventile<br />

waren vor der Modernisierung nicht mit kontinuierlicher<br />

Positionserfassung ausgestattet und konnten nur<br />

die Endstellungen anzeigen. Jetzt sind sie kontinuierlich<br />

regelbar. Hinter der Speisewasserpumpe geben die neu<br />

montierten Sensoren zum Beispiel Rückmeldungen über<br />

den Ventilhub für die Speisewasserzufuhr. Auch an den<br />

Ventilen für die Zuführung des Schweröls, an den Wassereinspritzventilen<br />

für den Zwischenüberhitzer und<br />

das Frischdampfsystem sowie an den Durchfluss-Regelventilen<br />

für die Einleitung des Dieselkraftstoffs in das<br />

Zündsystem melden die Sensoren die Ventilposition an<br />

den Leitstand.<br />

„GEBERSTERBEN“ FÜHRTE ZU HERSTELLERWECHSEL<br />

Während der Modernisierung der Umleit- und Einspritzventile<br />

stellte Siemens fest, dass die bisher eingesetzten<br />

Drehgeber aufgrund eines Produktauslaufs preislich nicht<br />

mehr tragbar waren. Bereits in anderen Kraftwerken hatten<br />

sie bei der Hubmessung an Regelventilen gute Erfahrungen<br />

mit den Positionssensoren von MTS gemacht.<br />

Magnetostriktive Sensoren eines anderen Herstellers<br />

konnten dagegen die Anforderungen nach einer robusten<br />

und zuverlässigen Wegmessung nicht erfüllen. Das<br />

Schwingen der Ventile und die damit verbundenen Vibrationen,<br />

denen die Sensoren ausgesetzt sind, führten zu<br />

einem regelrechten „Gebersterben“.<br />

Ein Herstellerwechsel schaffte Abhilfe. Die seit<br />

mehr als 35 Jahren weiterentwickelte und ausgereifte<br />

Technologie der Temposonics-Sensoren konnte durch<br />

ihre störfeste Positionsrückmeldung überzeugen. Das<br />

hohe Signal-Rauschverhältnis und die damit verbundene<br />

gute Signalqualität machen die Sensoren weit-<br />

16<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


Von auSSen an die Ventile montierte Sensoren erfassen berührungslos<br />

deren Position. Bild: Siemens AG Energy Sector<br />

Einsatz in Ägypten: Nach der Modernisierung der Leittechnik<br />

im Kraftwerk Soubra El Kheima sorgen magnetostriktive Positionssensoren<br />

für Zuverlässigkeit und hohe Verfügbarkeit.<br />

Bild: Lahmeyer International<br />

Dampferzeuger<br />

Überhitzer<br />

HD Umleitventil<br />

ca. 500 °C<br />

Zwischenüberhitzer<br />

Frischdampf-<br />

Schnellschluss-<br />

Ventile<br />

Regelventile<br />

Zwischenüberhitzer-<br />

Schnellschluss-<br />

Ventile<br />

Abfangventile<br />

ND Umleit-<br />

Stop-Ventile<br />

ND Umleit-<br />

Regelventile<br />

Ventil zur<br />

Druckreduzierung<br />

Einspritzwasser<br />

Ventil zur Dampfkühler<br />

Temperaturkontrolle<br />

380 °C<br />

HD<br />

MD<br />

ND<br />

ND<br />

HD Abdampf-<br />

Rückschlagventil<br />

Kessel- Kondens<strong>atp</strong>umpe<br />

Speisepumpe<br />

Kondensator<br />

ND Einspritzventile<br />

ND Umleitdampf-<br />

Enthitzer<br />

Der Temposonics RP-Sensor<br />

liefert hochpräzise Messergebnisse<br />

und verfügt über ein robustes<br />

Aluminiumprofil.<br />

Bild: MTS Sensor<br />

Technologie<br />

Schemazeichnung eines Kraftwerkblocks<br />

mit Hochdruck- und Niederdruckumleitventilen<br />

Bild: Siemens AG Energy Sector<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

17


anche<br />

gehend unabhängig von äußeren Einwirkungen und<br />

reduzieren das Rauschen auf ein Minimum. Die robuste<br />

Konstruktion und die berührungslose Wegaufnahme<br />

garantieren eine lange Lebensdauer selbst in<br />

einem extremen Umfeld wie der Kraftwerkstechnik.<br />

Mit dem Umstieg auf die Sensoren von MTS hat Siemens<br />

nach eigenen Angaben im Kraftwerksbau sehr<br />

gute Erfahrungen gemacht.<br />

ZUVERLÄSSIGKEIT DIE WICHTIGSTE ANFORDERUNG<br />

Bei der Auswahl der Positionssensorik für das Kraftwerk<br />

Shoubra El-Kheima spielte die Genauigkeit der Sensoren<br />

eine zweitrangige Rolle. Oberste Anforderung war, dass<br />

das Regelungssignal sicher verwertet werden kann und<br />

die Positionsrückmeldung sehr zuverlässig erfolgt. Die<br />

vibrationsfeste Ausführung der Temposonics-R-Serie-<br />

Sensoren erfüllt mit einer Vibrationsfestigkeit bis 30 g<br />

und einer Schockfestigkeit bis 100 g alle Forderungen<br />

nach Langlebigkeit. Die leistungsstarke, integrierte Elektronik<br />

garantiert in Kombination mit bester Störfestigkeit,<br />

Schutzart IP67 und EMV-Schutz sehr zuverlässige<br />

Messergebnisse – was sie für den harten Dauereinsatz<br />

prädestiniert. Auch von Temperaturschwankungen im<br />

Bereich von -40° C bis +75° C bleiben die Sensoren unbeeindruckt.<br />

Dank der kontinuierlichen Wegmessung<br />

mag netostriktiver Positionssensoren können die Ventile<br />

stufenlos geregelt werden. Mit einer Wiederholgenauigkeit<br />

von ± 2,5 µm ist das exakte Anfahren einer jeden<br />

Ventilstellung möglich.<br />

Temposonics-Positionssensoren arbeiten berührungslos<br />

und wartungsfrei mit einer sehr guten Wiederholgenauigkeit,<br />

so dass sie keine Nachkalibrierung benötigen.<br />

Allerdings verändern sich die Ventile durch Alterung<br />

aufgrund der hohen Temperaturunterschiede (bis<br />

zu 540° C), sodass im Kraftwerk Shoubra El Kheima eine<br />

gelegentliche Nachkalibrierung der Sensoren erforderlich<br />

ist.<br />

Um die Installation und Wartungsarbeiten zu vereinfachen<br />

und erheblich zu verkürzen, hat MTS den sogenannten<br />

Einbau-Programmer entwickelt. Mit diesem<br />

Programmiergerät ist es möglich, einen in der Anlage<br />

montierten Sensor bequem vom Klemmenkasten aus zu<br />

programmieren. So können der Start- und Endpunkt der<br />

Messstrecke und die Messrichtung im Feld neu eingestellt,<br />

die Sensoren leichter an die Bedingungen vor Ort<br />

anpasst und bei Bedarf rekalibriert werden.<br />

PROGRAMMIERUNG IN NUR FÜNF MINUTEN<br />

Die Sensoren im Kraftwerk Shoubra El-Kheima besitzen<br />

einen genormten und werkseitig eingestellten 4..20 mA-<br />

Spannungsausgang. Bei einem Sensorsignal von 4 mA ist<br />

das Ventil geschlossen und bei 20 mA komplett geöffnet.<br />

Für die Rekalibrierung nach dem Anfahren der Turbine<br />

sind 28 der Programmiergeräte zwischen Sensor und<br />

Steuerung dauerhaft in den Klemmenkästen neben den<br />

Ventilen verbaut. Der Einstellmodus kann jederzeit ohne<br />

zusätzliche Einstellwerkzeuge aktiviert werden. Das Ventil<br />

wird in die gewünschte Anfangs- oder Endstellung<br />

verfahren, seine Position mit der 0 %- beziehungsweise<br />

100 %-Taste des Programmiergeräts bestätigt und per<br />

Teach-In in der Steuerung gespeichert.<br />

Bevor Siemens die Einbau-Programmer installierte,<br />

wurde bei jeder Rekalibrierung ein mobiler Handprogrammer<br />

mit dem Sensor und der Steuerung verbunden.<br />

Allerdings sind die Sensoren oft an unwegsamen Stellen<br />

angebracht, Schmutz und Hitze vor Ort erschweren<br />

die Arbeit. Es war eine Herausforderung, beispielsweise<br />

den Handprogrammer bei Dunkelheit an die Kabelenden<br />

des Sensors anzuschließen. So dauerte die Programmierung<br />

bis zu einer halben Stunde pro Sensor.<br />

Mit dem Einbau-Programmer reduzierte sich die Zeit,<br />

inklusive Wegezeiten und Verfahrzeiten für die Ventile,<br />

auf gerade einmal fünf Minuten. Die Programmierung<br />

vom Klemmenkasten aus erleichtert die Arbeit vor Ort<br />

sehr und spart bei jeder Turbinenwartung wertvolle<br />

Zeit. Für alle 28 Sensoren an den Umleit- und Einspritzventilen<br />

bedeutet das eine Zeitersparnis von fast zwölf<br />

Stunden und auch die Inbetriebnahme der Kraftwerksblöcke<br />

nach der Modernisierung verlief schneller. Auch<br />

bei der Inbetriebnahme der einzelnen Kraftwerksblöcke<br />

nach der Modernisierung konnte durch die komfortable<br />

Programmierung sehr viel Zeit eingespart werden.<br />

Zum Einsatz kommen die magnetostriktiven Temposonics-Positionssensoren<br />

auch in anderen Anwendungen<br />

der Energietechnik. In Gasturbinen werden sie bei der<br />

Steuerung der Regelventile für die Gaszufuhr eingesetzt.<br />

In Wasserturbinen erfassen sie die Positionen der Laufrad-<br />

und Leitschaufelverstellung. In Windanlagen bestimmen<br />

sie bei der Pitch Control den Anstellwinkel der<br />

Rotorblätter oder überwachen die Position des Bolzens<br />

bei der Rotorverriegelung.<br />

Autor<br />

Hanserdmann von<br />

Biedersee ist Leiter<br />

Technisches Marketing<br />

Industriesensorik bei MTS<br />

Sensor Technologie.<br />

MTS Sensor Technologie GmbH & Co. KG,<br />

Auf dem Schüffel 9, D-58513 Lüdenscheid,<br />

Tel. +49 (0) 2351 958 729,<br />

E-Mail: H.v.Biedersee@mtssensor.de<br />

18<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


Herausforderung<br />

Automatisierungstechnik<br />

Mit dem <strong>atp</strong>-award werden zwei Autoren der <strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

für hervorragende Beiträge ausgezeichnet. Ziel dieser<br />

Initiative ist es, Wissenschaftler und Praktiker der<br />

Automatisierungstechnik anzuregen, ihre Ergebnisse<br />

und Erfahrungen in Veröffentlichungen zu fassen und<br />

die Wissenstransparenz in der Automatisierungstechnik<br />

zu fördern.<br />

Teilnehmen kann jeder Autor der zum Zeitpunkt<br />

der Veröffentlichung nicht älter als 35 Jahre ist. Nach<br />

Veröffentlichung eines Beitrags ist der Autor, wenn er<br />

die Bedingung erfüllt, automatisch im Pool. Die Auswahl<br />

des Gewinners übernimmt die <strong>atp</strong>-Fachredaktion.<br />

Derjenige Autor, der im Autorenteam der jüngste ist,<br />

erhält stellvertretend für alle Autoren die Auszeichnung.<br />

Der Preis wird in zwei Kategorien ausgelobt:<br />

Industrie und Hochschule. Die Kategorien ermittlung<br />

ergibt sich aus der in dem Beitrag angegebenen Adresse<br />

des jüngsten Autors.<br />

Veröffentlichungen – Beitrag zum Wissenspool<br />

im Fachgebiet Automatisierungstechnik<br />

Die Entwicklung eines Wissensgebietes erfolgt durch<br />

einen kooperativen Prozess zwischen wissenschaftlicher<br />

Grundlagenforschung, Konzept- und Lösungsentwicklung<br />

und Anwendung in der Praxis. Ein solcher<br />

Prozess bedarf einer gemeinsamen Informationsplattform.<br />

Veröffentlichungen sind die essentielle Basis<br />

eines solchen Informationspools.<br />

Der <strong>atp</strong>-award fördert den wissenschaftlichen Austausch<br />

im dynamischen Feld der Automationstechnik.<br />

Nachwuchsingenieure sollen gezielt ihre Forschungen<br />

präsentieren können und so leichter den Zugang zur<br />

Community erhalten. Der Preis ist mit einer Prämie<br />

von jeweils 2000€ dotiert.<br />

Die Auswahl erfolgt in zwei Stufen:<br />

Voraussetzung für die Teilnahme ist die Veröffentlichung<br />

des Beitrags in der <strong>atp</strong> <strong>edition</strong>. Jeder Aufsatz,<br />

der als Hauptbeitrag für die <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> eingereicht<br />

wird, durchläuft das Peer-Review-Verfahren. Die<br />

letzte Entscheidung zur Veröffentlichung liegt beim<br />

Chefredakteur. Wird ein Beitrag veröffentlicht, kommt<br />

er automatisch in den Pool der <strong>atp</strong>-award-Bewerber,<br />

vorausgesetzt einer der Autoren ist zum Zeitpunkt<br />

der Veröffentlichung nicht älter als 35 Jahre. Ausgezeichnet<br />

wird der jüngste Autor stellvertretend für alle<br />

Autoren der Gruppe. Eine Jury aus Vertretern der <strong>atp</strong>-<br />

Fachredaktion und des -Beirats ermittelt schließlich<br />

den Gewinner in den jeweiligen Kategorien Hochschule<br />

und Industrie. Der Rechtsweg ist ausgeschlossen.<br />

Beiträge richten Sie bitte an:<br />

Oldenbourg Industrieverlag GmbH<br />

Herrn Prof. Leon Urbas<br />

Chefredakteur <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> / automatisieren! by <strong>atp</strong><br />

Rosenheimer Straße 145<br />

81761 München<br />

Tel. +49 (0) 89 45051 418<br />

E-Mail: urbas@oiv.de<br />

Beachten Sie die Autorenhinweise der <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> für<br />

Hauptbeiträge unter folgendem Link:<br />

http://www.<strong>atp</strong>-online.de<br />

Bitte senden Sie Ihre Beiträge an:<br />

urbas@oiv.de<br />

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

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

eines Hauptaufsatz-Manuskriptes an die <strong>atp</strong>-Chefredaktion.<br />

www.<strong>atp</strong>-online.de


anche | Special Industrial Ethernet<br />

Parallel Redundancy Protocol und High Availability<br />

Seamless Redundancy sichern doppelt ab<br />

Die Entwicklung deterministischer Redundanzverfahren verhalf Ethernet zum Durchbruch<br />

Ein aktuelles Beispiel für neue Anwendungsgebiete von<br />

Ethernet ist die Automatisierung von Umspannwerken<br />

nach IEC 61850 [1]. Insbesondere der IEC 61850-Prozessbus<br />

ist hierbei eine Herausforderung. Dieser Bus ist<br />

ein Netzwerk, über das mit einer typischen Frequenz von<br />

4 kHz die so genannten Sampled Values (SV), also Abtastwerte<br />

von Strom und Spannung der unterschiedlichen<br />

Phasen, übertragen werden. Dabei dürfen nahezu<br />

keine Abtastwerte verloren gehen. Um solche Netzwerke<br />

fehlertolerant auslegen zu können, bedarf es jedoch neuer<br />

Redundanztechnologien.<br />

Die im Bereich der Industrieautomatisierung bewährten<br />

Redundanz-Kontrollprotokolle MRP [2] und RSTP<br />

(Rapid Spanning Tree Protocol) [3] ermöglichen den Aufbau<br />

fehlertoleranter Ethernet-Netzwerke. Ohne diese<br />

Technologien ist beispielsweise ein solches Netzwerk mit<br />

Medienredundanz nicht möglich. Aufgrund der Rundrufcharakteristik<br />

von Ethernet erzeugt jede zusätzliche<br />

Medienverbindung eine Netzwerkschleife und verursacht<br />

damit ein unkontrolliertes Kreisen der Ethernet<br />

Frames. Dies legt das Netzwerk lahm. MRP und RSTP<br />

verhindern dies, indem sie zusätzliche physikalische<br />

Pfade logisch abschalten und nur bei Bedarf aktivieren<br />

– beispielsweise wenn der ursprüngliche Pfad durch einen<br />

Defekt ausgefallen ist. Die Aktivierung des alternativen<br />

Pfades sowie der Umschaltvorgang nehmen Zeit in<br />

Anspruch, in der die Netzwerkkommunikation unterbrochen<br />

ist. Ein schneller MRP-Ring schaltet unter Normalbedingungen<br />

in circa 5 ms um: Für die Anwendung im<br />

Prozessbus immer noch zu langsam. Bei einer Umschaltzeit<br />

von 5 ms gehen bei der bereits erwähnten 4 kHz Senderate<br />

von SV rund 20 Abtastwerte pro Sender verloren.<br />

Ein ähnliches Bild ergibt sich im Anwendungsbereich<br />

der synchronisierten Achsen: Hier wird mit Zykluszeiten<br />

der Steuerungen im niedrigen Milli- bis Mikrosekundenbereich<br />

gearbeitet, wodurch Umschaltzeiten im Millisekundenbereich<br />

oft nicht toleriert werden können.<br />

Spezifikation zweier Redundanzprotokolle<br />

Um diesen neuen Herausforderungen zu begegnen,<br />

sind im Internationalen Standard IEC 62439-3 [4] zwei<br />

Redundanz-Kontrollprotokolle spezifiziert: das Parallel<br />

Redundancy Protocol (PRP) für parallele, redundante<br />

Netze und die High Availability Seamless Redundancy<br />

(HSR) für Ringnetzwerke. Beide Protokolle<br />

basieren auf der Idee, ein von einem Netzwerkknoten<br />

erzeugtes Datenframe zu verdoppeln und auf zwei redundanten<br />

Netzwerkpfaden gleichzeitig zu versenden.<br />

Dabei werden sowohl das Original als auch das Duplikat<br />

am Ziel empfangen. Nach dem Empfang wird allerdings<br />

nur das erste Frame ausgewertet, während<br />

das Duplikat verworfen wird.<br />

Der Vorteil: Im Fehlerfall ist kein Umschaltvorgang<br />

notwendig, der die Kommunikation unterbricht. Falls<br />

Bild 1:Neue Anforderungen in der Automatisierung fordern die Weiterentwicklung der Ethernet-Technologie.<br />

20<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


einer der beiden Netzwerkpfade ausfällt, ist die Kommunikation<br />

über den zweiten Pfad weiterhin gewährleistet.<br />

Bild 2 zeigt ein exemplarisches PRP-Netzwerk. Das<br />

PRP-Protokoll ist in den Endknoten implementiert.<br />

Diese Knoten werden auch als DANP (Dual Attached<br />

Node for PRP) bezeichnet. Ein von einer Applikation<br />

in einem DANP erzeugtes Frame wird für den redundanten<br />

Versand von der PRP-Schnittstelle, der Link<br />

Redundancy Entity (LRE), verdoppelt. Anschließend<br />

wird es auf beiden Netzwerken, LAN A und LAN B,<br />

gleichzeitig versandt. Zuvor wird jedes Frame von der<br />

LRE mit einer Zusatzinformation, dem PRP Trailer,<br />

versehen. Dieser enthält unter anderem eine Sequenznummer,<br />

die mit jedem versandten Frame im DANP<br />

hochgezählt wird. Anhand der physikalischen Senderadresse<br />

und der Sequenznummer kann ein empfangender<br />

DANP die zwei zueinander gehörenden<br />

Frames identifizieren. Danach verarbeitet er das erste<br />

Frame und verwirft das Duplikat. Um Ethernet-<br />

Geräte ohne PRP-Schnittstelle redundant mit dem<br />

PRP-Netz zu verbinden, wird eine Redundancy Box,<br />

kurz RedBox, eingesetzt. Die LRE einer RedBox arbeitet<br />

für die Geräte ohne PRP-Schnittstelle als Stellvertreter,<br />

verdoppelt deren Frames und führt die<br />

Duplikaterkennung durch. Eine RedBox kann beispielsweise<br />

ein Ethernet Switch sein, der um eine<br />

PRP-Schnittstelle erweitert ist.<br />

Bild2: Ein exemplarisches<br />

PRP-Netzwerk.<br />

Die führende Fachmesse für Elektrotechnik<br />

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21<br />

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7-8 / 2011


anche | Special Industrial Ethernet<br />

Bild3: Das High Availability Seamless<br />

Redundancy (HSR)-Netzwerk<br />

Bild4:<br />

Anwendungsbeispiel<br />

für die PRP- und<br />

HSR-Technologien.<br />

Bilder: Belden<br />

Ein Nachteil von PRP sind die vergleichsweise hohen<br />

Aufwände, etwa für die Installation, die durch<br />

die doppelt benötigte Netzwerkinfrastruktur entstehen.<br />

Aus diesem Grund wurde aus dem PRP-Prinzip<br />

der HSR-Ring weiterentwickelt. Bild 3 zeigt ein typisches<br />

HSR-Netzwerk. Anstatt die beiden Anschlüsse<br />

der HSR LRE mit Switchen in individuellen LANs zu<br />

verbinden, werden die HSR DANHs (Dual Attached<br />

Node for HSR) zu einem Ring verschaltet. HSR-Geräte<br />

leiten, im Gegensatz zu PRP-Geräten, Frames unter<br />

Verwendung von Cut-through Switching von einem<br />

Anschluss an den anderen weiter.<br />

Die Anbindung von Ethernet-Geräten ohne HSR-<br />

Schnittstelle erfolgt, genau wie bei PRP, über RedBoxen.<br />

Die Redundanz ohne Umschaltzeit wird dadurch<br />

realisiert, dass ein Frame nach der Verdoppelung<br />

durch die HSR LRE gleichzeitig in beiden Richtungen<br />

des Rings versandt wird. Genau wie bei PRP wird bei<br />

HSR jedes Frame mit einer Zusatzinformation beaufschlagt.<br />

Über diese Information wird auch das unkontrollierte<br />

Kreisen von Frames im HSR-Ring verhindert:<br />

Jeder HSR-Teilnehmer kann die von ihm in den<br />

Ring eingeleiteten Frames eindeutig identifizieren<br />

und nach einem Umlauf wieder vom Netz nehmen,<br />

wie in Bild 2 schematisch dargestellt.<br />

Beispiel: Substation Automation<br />

Bild 4 zeigt ein typisches Anwendungsbeispiel für die<br />

PRP- und HSR-Technologien. Ein Substation Automation-Netzwerk<br />

nach IEC 61850 kann mit PRP auf der Sta-<br />

22<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


tionsleitebene und HSR-Ringen auf der Prozessebene<br />

abgedeckt werden. PRP- und HSR-Netze sind hierbei<br />

durch spezielle PRP-HSR-RedBox-Einheiten gekoppelt.<br />

Dieses Anwendungsbeispiel zeigt, das die HSR- und<br />

PRP-Technologien neben der hohen Leistungsfähigkeit<br />

auch flexibel genug sind, um unterschiedlichen Installationsanforderungen<br />

zu erfüllen. Dies ist eine wichtige<br />

Voraussetzung, um den Herausforderungen zu begegnen,<br />

denen Ethernet-Netzwerke der Zukunft gewachsen<br />

sein müssen.<br />

Referenzen<br />

[1] International Standard IEC 61850 – Communication<br />

networks and systems for power utility automation;<br />

Zu beziehen über www.iec.ch<br />

[2] International Standard IEC 62439-2 (2010) – Industrial<br />

communication networks – High availability automation<br />

networks – Part 2: Media Redundancy Protocol;<br />

Zu beziehen über www.iec.ch<br />

[3] IEEE 802.1D-2004 – IEEE standard for local and<br />

metropolitan area networks – Media Access Control<br />

(MAC) bridges; Zu beziehen über GetIEEE802:<br />

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

[4] International Standard IEC 62439-3 (2010) – Industrial<br />

communication networks – High availability automation<br />

networks – Part 3: Parallel Redundancy Protocol<br />

(PRP) and High-availability Seamless Redundancy<br />

(HSR); Zu beziehen über www.iec.ch<br />

Autor<br />

Dipl.-Ing. (FH) Oliver<br />

Kleineberg ist Ingenieur<br />

im Advanced Development<br />

bei Hirschmann<br />

Automation&Control.<br />

Hirschmann - A Belden Brand<br />

Stuttgarter Straße 45-51,<br />

72654 Neckartenzlingen,<br />

Tel. +49 (0) 7127 14 10 35<br />

E-Mail: oliver.kleineberg@belden.com<br />

Unter dem Motto „Studiere Zukunft“ hat die Beuth Hochschule für<br />

Technik Berlin (zuvor Technische Fachhochschule Berlin) die Lehre,<br />

Forschung und Weiterbildung systematisch erneuert. Heute werden<br />

über 10.000 Studierende in 72 akkreditierten Bachelor- und Masterstudiengängen<br />

mit modernster Laborausstattung für eine Karriere in<br />

Wirtschaft und Wissenschaft ausgebildet.<br />

Für das nachstehend aufgeführte Fachgebiet ist folgende<br />

Professur (BesGr. W2) *<br />

zu besetzen:<br />

Kennziffer: 910<br />

Fachgebiet: Maschinenbau-Produktionsautomatisierung<br />

Anforderungen: Bewerber/innen auf diese Stelle verfügen über eine<br />

mehrjährige Erfahrung auf dem Gebiet der Regelungs- und Automatisierungstechnik<br />

im Bereich Maschinenbau. Es wird erwartet, dass<br />

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

hervorragend zu vertreten.<br />

Die verstärkte Internationalisierung der Studiengänge erfordert gute<br />

englische Sprachkenntnisse von den Bewerbern und Bewerberinnen.<br />

Die Bewerberinnen/Bewerber müssen fähig sein, das gesamte Fachgebiet<br />

in der Lehre und der angewandten Forschung zu vertreten.<br />

Ebenso wird bei allen Bewerbern und Bewerberinnen vorausgesetzt,<br />

Aufgaben im Bereich der Grundlagenausbildung und im Service zu<br />

übernehmen und engagiert in der akademischen Selbstverwaltung<br />

mitzuarbeiten.<br />

Bei externen Bewerbern/Bewerberinnen wird ein Wohnungswechsel<br />

in den Raum Berlin zur Erfüllung der Dienstpflichten erwartet.<br />

Die Beuth Hochschule für Technik Berlin strebt eine Erhöhung des<br />

Anteils von Frauen im wissenschaftlichen Bereich an. Sie bittet qualifizierte<br />

Interessentinnen nachdrücklich um ihre Bewerbung. Schwerbehinderte<br />

werden bei gleicher Qualifikation bevorzugt.<br />

Voraussetzungen: Berufungsfähigkeit gem. § 100 des Berliner Hochschulgesetzes.<br />

Darüber hinaus kann in Ausnahmefällen auch berufen<br />

werden, wer fachbezogene Leistungen in der Praxis, die ganz besonderen<br />

Ansprüchen genügen, nachweist und über die erforderliche pädagogische<br />

Eignung verfügt. Die Berufung zum Professor/zur Professorin<br />

durch den Senator für Bildung, Wissenschaft und Forschung ist im<br />

Regelfall mit der Ernennung zur/zum Beamtin/Beamten auf Lebenszeit<br />

verbunden.<br />

Bewerbungen mit den üblichen Unterlagen werden unter Angabe der<br />

Kennziffer innerhalb vier Wochen nach Erscheinen an den Präsidenten<br />

der Beuth Hochschule für Technik Berlin, Luxemburger Str. 10,<br />

13353 Berlin, erbeten. Originalunterlagen bitte nur auf besondere Anforderung<br />

einsenden.<br />

Wir bitten Sie, zusätzlich zu Ihrer schriftlichen Bewerbung ein Onlineformular<br />

auszufüllen unter www.beuth-hochschule.de/professur.<br />

* Je nach Qualifikation und Berufserfahrung können neben dem<br />

Grundgehalt der Besoldungsgruppe W2 Berufungs-Leistungsbezüge<br />

gewährt werden.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

23


anche | Special Industrial Ethernet<br />

Mit Ethernet auf dem Teppich geblieben: Hersteller<br />

rüstet Färbelinie auf neue Technologie um<br />

Geeignete Durchflussmessgeräte ließen Umrüstung zum Erfolg werden<br />

Bild 1: Der Teppichhersteller Shaw Industries ist der größte Lieferant<br />

von Bodenbelägen weltweit. Das US-amerikanische Unternehmen<br />

investierte in die Ethernet-Technologie und fand dank einer <strong>Kooperation</strong><br />

mit geeigneten Durchflussmessgeräten eine zukunftsorientierte Lösung.<br />

Bild 2: Die Zahl neuer Messgeräte steigt kontinuierlich in<br />

der Anlage. Der Durchflussbereich hat sich verdoppelt.<br />

Die Krise hat den amerikanischen Immobilienmarkt<br />

erschüttert. Shaw Industries, Marktführer bei Bodenbelägen<br />

für den Wohnbereich, bekam dies hart zu<br />

spüren. Doch das Unternehmen handelte, noch ehe<br />

die Rezession durchschlug – und suchte nach Wegen,<br />

flexibler und effizienter zu produzieren. „Dabei ist uns<br />

mit einer neuen Lösung für das Färben von Teppichböden<br />

ein großer Schritt nach vorn gelungen“, berichtet<br />

Jay McClure, Leiter Technologie und Integration<br />

der Abteilung für Computer-integrierte Fertigung bei<br />

Shaw Industries. Im Mittelpunkt dieser Lösung steht<br />

ein industrielles Ethernet-Netzwerk – und geeignete<br />

Durchflussmesstechnik. Doch der Reihe nach…<br />

Ein Großteil der Teppichböden für den Wohnbereich<br />

wird in einem Tauchbad gefärbt. Dazu werden konzentrierte<br />

Farb- und Zusatzstoffe mit Wasser vermischt.<br />

„Unsere Aufgabe war, eine Anlage so umzurüsten,<br />

dass wir mehr Produkte auf derselben Linie<br />

fertigen können“, erklärt Kevin Espy, leitender Projektingenieur<br />

bei Shaw Industries. Dazu war es nötig, die<br />

Zahl der Injektionskreisläufe auf 40 zu erhöhen.„Vor<br />

allem aber mussten wir die gesamte Anordnung so<br />

abändern, dass wir den Durchflussbereich der einzelnen<br />

Schleifen ausweiten konnten. Denn je nach Faser<br />

brauchen wir ganz unterschiedliche Farb- und Zusatzstoffe<br />

in ganz unterschiedlichen Mengen.“<br />

Zahlreiche Faktoren beeinflussen, wie viel Färbelösung<br />

benötigt wird. Je nachdem, wie lange der Teppich<br />

im Dampfbad vorbehandelt werden muss, läuft<br />

die Anlage mal schneller, mal langsamer. Dunkle<br />

Töne brauchen mehr Farbstoffe; das gleiche gilt für<br />

schwere Teppichqualitäten. Dazu kommen strenge<br />

Anforderungen an die Qualität. „Die Durchflussraten<br />

dürfen höchstens um ein Prozent vom Sollwert abweichen“,<br />

betont Kevin Espy.<br />

Schritt in die digitale Zukunft<br />

Rasch war klar, dass das Ziel mit analoger Signalübertragung<br />

nicht erreichbar war. „Die alte Technik beschränkte<br />

uns in unseren Möglichkeiten“, sagt Jay McClure. „Mit<br />

einem Signalbereich von 4 bis 20 Milliampere hätten wir<br />

nie die Messwertauflösung erreicht, die für einen so großen<br />

Durchflussbereich nötig ist.“ Der Wechsel auf das<br />

digitale Hart-Protokoll lag nahe – und doch kam es anders.<br />

Die neu entworfene Färbelinie sollte mit Plant Pax,<br />

einem Leitsystem von Rockwell Automation, gesteuert<br />

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

der Industrie abgestimmten und inzwischen in<br />

der Fabrikautomatisierung weit verbreiteten Ethernet-<br />

Protokoll. „Eines Tages“, berichtet Jay McClure, „kamen<br />

die Leute von Rockwell Automation auf uns zu. Sie machten<br />

uns auf ein Coriolis-Durchflussmessgerät mit Ethernet/IP-Anschluss<br />

aufmerksam: Den Promass 83 von<br />

Endress+Hauser.“<br />

„Das Konzept hat uns gleich begeistert“, erzählt<br />

Kevin Espy. Dennoch fiel die Entscheidung nicht<br />

leicht. „Der Wechsel eines Lieferanten ist immer eine<br />

große Sache. Das Personal ist geschult, die Geräte sind<br />

vertraut, die Ersatzteile liegen im Regal –da braucht<br />

es schon überzeugende Argumente.“ Geräte mehrerer<br />

24<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


Bild 3: Jay McClure, Eddie Huitt und Kevin Espy<br />

(von links) haben Pioniergeist bewiesen als sie auf die<br />

moderne Ethernet-Technologie umgerüstet haben.<br />

Seither haben sie Ihre Leidenschaft für Daten entdeckt.<br />

Bilder: Endress+Hauser<br />

Hersteller wurden auf Herz und Nieren geprüft, in<br />

Funktion, Genauigkeit und Verlässlichkeit verglichen.<br />

Kommunikationsprotokolle, Gehäuseabmessungen<br />

und natürlich der Preis flossen ein in die Bewertung.<br />

„Der Promass ist dabei herausgestochen“, bringt Kevin<br />

Espy das Ergebnis auf den Punkt. So entschied sich<br />

Shaw Industries am Ende für das Messgerät und für<br />

die Ethernet-Technologie.<br />

„Erleichtert hat uns die Sache, dass im Hintergrund<br />

analoge Messgeräte als Ersatz bereitstanden“, berichtet<br />

Eddie Huitt, Leitsystem-Ingenieur bei Shaw Industries.<br />

„Schließlich waren wir gewissermaßen die Versuchskaninchen<br />

für die neue Technologie.“ Die Installation<br />

verlief, abgesehen von einem defekten Netzwerkstecker,<br />

reibungslos. „Alles ging viel schneller<br />

und einfacher als mit herkömmlicher Feldbus-Technologie“,<br />

fasst Eddie Huitt zusammen. Jedes Instrument<br />

verfügt über eine eigene IP-Adresse. Ist es angeschlossen,<br />

kann über das Netzwerk sofort darauf zugegriffen<br />

werden. „Vor allem bei der Konfiguration<br />

spart man viel Zeit.“<br />

Durchflussbereich hat sich verdoppelt<br />

Seit mehr als einem Jahr arbeitet die neue Anlage nun<br />

störungsfrei. Der Fortschritt ist frappierend: „Der Durchflussbereich<br />

hat sich mehr als verdoppelt. Wir können die<br />

Durchflussrate zwischen 0,5 und mehr als 50 Litern in<br />

der Minute variieren“, sagt Jay McClure. Statt bislang 48<br />

können heute 78 unterschiedliche Produkte auf der gleichen<br />

Linie gefärbt werden. Weil sich die Färbelösung nun<br />

exakt und spezifisch dosieren lässt, sind keine Zwischentanks<br />

mehr nötig. Das senkt den Aufwand und verringert<br />

den Verbrauch an Farb- und Zusatzstoffen. „Wir sparen<br />

Geld und tun etwas für die Umwelt.“ Längst ist die neue<br />

Anlage zum Vorzeigeobjekt geworden, weitere Produktionslinien<br />

sollen umgerüstet werden.<br />

„Letztlich hat uns die Allianz mit Rockwell Automation<br />

die Tür geöffnet“, fasst Paul Karpenko zusammen,<br />

der für den Endress+Hauser Repräsentanten AMJ<br />

Equipment das Unternehmen betreut. Schließlich<br />

garantieren die beiden Partner das reibungslose Zusammenspiel<br />

von Messgeräten und Leitsystemen. Inzwischen<br />

sind die blauen Gehäuse der Messumformer<br />

an vielen Stellen im Betrieb zu sehen. „Shaw Industries<br />

ist in kurzer Zeit zu einem meiner wichtigsten<br />

Kunden geworden.“ Demnächst will das Unternehmen<br />

die pH-Messung mit den im Labor vorkalibrierbaren<br />

Memosens-Elektroden testen, ebenso die Viskositätsmessung<br />

mit dem Coriolis-Instrument Promass I – und<br />

das magnetischinduktive Durchflussmessgerät Promag<br />

53, ebenfalls mit EtherNet/IP.<br />

„Wir haben eine Leidenschaft für Daten“, sagt Jay<br />

McClure. „Und mit Ethernet bekommen wir eine Fülle<br />

an Information geliefert.“ Monat für Monat werden<br />

eine Milliarde Datensätze auf den Festplatten der Automatisierungsspezialisten<br />

abgelegt. „Bislang werten<br />

wir diese Informationen kaum aus. Das wird sich in<br />

Zukunft sicher ändern“, meint der Leiter Technologie<br />

und Integration. Er ist überzeugt, dass sich in den<br />

Daten der Messgeräte frühzeitig Hinweise auf Fehlfunktionen<br />

finden ließen. „Wir könnten handeln, noch<br />

ehe es ein echtes Problem gibt.“<br />

Jay McClure hat deshalb keine Zweifel, dass sich die<br />

neue Technologie auf breiter Front durchsetzen wird.<br />

„Am liebsten“, sagt er, „hätten wir alle Messgeräte mit<br />

Ethernet!“<br />

Autor<br />

Martin Raab ist Corporate<br />

Public Relations Manager<br />

der Endress+Hauser Gruppe.<br />

Endress+Hauser Messtechnik GmbH+Co. KG,<br />

Colmarer Straße 6, D-79576 Weil am Rhein<br />

Tel.+49 (0) 7621 97 55 56<br />

E-Mail: kerstin.loeffler@de.endress.com<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

25


anche<br />

IEC 61508: So entwickeln Anfänger<br />

normgerechte Komponenten<br />

Sicherheitsgerichtete Feldgeräteentwicklung für Hersteller<br />

Der Bedarf an sicheren Maschinenkomponenten in der<br />

Automatisierungstechnik und der Prozesstechnik<br />

wächst. Damit kommen auf Komponentenhersteller viele<br />

Anforderungen zu, bevor sie eine SIL-Komponente<br />

verkaufen dürfen. Für die Entwicklung nach IEC 61508,<br />

DIN EN 62061, DIN IEC 61511 stehen Ingenieure und<br />

Entscheider vor dem Problem, die Risiken, Kosten und<br />

den Einfluss auf ihre Organisation abzuschätzen. Die IEC<br />

61508 beschreibt Methoden und Anforderungen zur Minimierung<br />

des Risikos für Gesundheit und Kapital, das<br />

von einer Maschine oder Anlage ausgeht. Betroffen und<br />

daher verantwortlich ist jeder, der am Produktlebenszyklus<br />

in irgendeiner Form mitwirkt.<br />

Wer als Unerfahrener erstmals ein Produkt mit SIL am<br />

Markt vertreiben möchte, muss dieses nicht nur funktional<br />

sicher entwickeln, sondern auch das Functional<br />

Safety Management in seiner Organisation etablieren<br />

und nachweisbar leben, damit er die Beweislastumkehr<br />

im Schadensfall vor Gericht antreten kann. Es gibt viele<br />

Fallstricke und zu klärende Fragen bezüglich der Firmenprozesse<br />

und der Produktentwicklung. Folgende<br />

Bereiche müssen unter anderem untersucht werden:<br />

Firmenprozesse, Entwicklungsprozess, Qualitätswesen<br />

sowie Personalstruktur, Qualifikationen und Verantwortungen.<br />

Entlang des Produktlebenszyklus müssen<br />

nach der Phase Entwicklung auch Anforderungen an<br />

Fertigung, Inbetriebnahme, Wartung/Reparatur und Außerbetriebnahme<br />

erfüllt werden, um auch hier Fehlerquellen<br />

zu minimieren.<br />

1. In sechs Schritten zur sicheren Komponente<br />

So kann die Entwicklung für eine funktional sichere<br />

Komponente ablaufen:<br />

Schritt 1a:<br />

Schritt 1b:<br />

Safety Workshop (technisch)<br />

(Bild 1-Definition der Lasten)<br />

Functional Safety Grundlagenseminar<br />

(Management mit ins Boot nehmen)<br />

(Bild 1-Definition der Lasten)<br />

Schritt 1c: Sicherheitsanforderungen, Safety Plan,<br />

V&V-Plan (Bild 1-Sicherheitskonzept)<br />

Schritt 2: Concept Approval (Bild 1-Konzeptfreigabe)<br />

Schritt 3-5: Safety Hardware und<br />

Software Entwicklung<br />

(Design, Integration, Test)<br />

(Bild 1-Entwicklung, Bild 2)<br />

Schritt 6: Zertifizierung (Bild 1-FS Assessment)<br />

1.1 Schritt 1a: Safety Workshop<br />

In einem Safety Workshop können die übergeordneten<br />

Anforderungen des Produktmanagements gesammelt<br />

und eine erste Grob-Architektur mit einer System-<br />

FMEA auf Blockebene erstellt werden. Die sichere<br />

Funktion und der sichere Zustand des Produktes werden<br />

beschrieben. Bei komplexen Projekten ist es ratsam,<br />

bereits zu diesem Zeitpunkt einen unabhängigen<br />

Safety Assessor (zum Beispiel TÜV, IFA) für eine Vorkonzeptbesprechung<br />

einzubeziehen, um effizienter<br />

zur Konzeptfreigabe zu gelangen.<br />

Tipp: Ein unabhängiger Assessor hilft während der<br />

gesamten Entwicklung beim Aufbau und der Bewertung<br />

der benötigten Prozesse. Er sollte wenigstens in einer<br />

anderen Abteilung, besser in einer anderen Organisation,<br />

angestellt sein.<br />

1.2 Schritt 1b: Grundlagen – auch fürs Management<br />

Häufig bestimmt der Tunnelblick die Abläufe in Organisationen.<br />

Der Produktmanager sieht nur sein Produkt,<br />

die Entwickler sehen nur die ihnen zugewiesenen Aufgaben<br />

und das Management ist sich der Implikationen<br />

der funktionalen Sicherheit auf die gesamte Firma mit<br />

ihren Prozessen und Abläufen nicht bewusst. Hilfreich<br />

ist ein FS Grundlagenseminar, wie es vom TÜV angeboten<br />

wird. Hier wird entlang des zukünftigen Produktes<br />

das Thema Funktionale Sicherheit für alle Hierarchieebenen<br />

erklärt. Die mögliche Folge: Die Prozesse<br />

werden nun dokumentiert.<br />

1.3 Schritt 1c:<br />

Safety Plan, Sicherheitsanforderungen / Konzept<br />

Der Safety Plan legt dar, auf welcher Grundlage das<br />

Produkt sicher sein wird, beschreibt Prozesse und<br />

Verantwortungen sowie organisatorische Dinge (z. B.<br />

verweist auf das Qualitätshandbuch). Er ist ein zentrales<br />

Dokument und steht am Anfang jeder Entwicklung.<br />

Im Verification & Validation Plan (V&V-Plan)<br />

kann gelesen werden, wie, wann, von wem, was verifiziert<br />

und am Ende validiert wird. Entlang jeder Lebenszyklusphase<br />

werden so Verantwortungen, Qualitätsmanagement,<br />

Konfigurationsmanagement, Änderungsmanagement,<br />

Tooling und Maßnahmen zur<br />

Fehlervermeidung dokumentiert. Sicherheitsanforderungen<br />

und Sicherheitsintegritätsanforderungen<br />

(SRS) müssen systematisch (bei mittleren und großen<br />

Projekten besser mit einem datenbankbasierten Werkzeug)<br />

erfasst werden. Sicherheitskonzepte für Hardware<br />

und Firmware dokumentieren die Machbarkeit<br />

der SRS. Die Dokumente werden nach einer Review<br />

mit dem Ziel der Vollständigkeit und Verständlichkeit<br />

zur Konzeptprüfung eingereicht.<br />

1.4 Schritt 2: Die Konzeptprüfung<br />

Beurteilt werden neben dem Safety Plan die Sicherheitsanforderungen<br />

und der V&V-Plan. Inhalte sind unter anderem<br />

Safety Policy des Unternehmens<br />

Organisationsstruktur der Firma<br />

Personal, Verantwortungen, Qualifikation<br />

Prozessbeschreibungen<br />

Standards und Vorlagen<br />

Das Ergebnis ist ein Reviewbericht mit klassifizierten<br />

Punkten. Die Punkte müssen gemäß Änderungsprozess<br />

behoben werden. Betroffen sein kann die Ge-<br />

26<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


Bild 1. Beispiel<br />

für den gemeinsamen<br />

Weg von<br />

Produkthersteller,<br />

Entwicklungsdienstleister<br />

und Zertifizierungsstelle<br />

bei einer<br />

Sicherheitsentwicklung<br />

nach<br />

IEC 61508 in sehr<br />

groben Schritten<br />

Bild 2: Entwicklungsprozess für Hardware und Software gemäß V-Modell<br />

schäftsführung, der Vertrieb, die Entwicklung und so<br />

weiter. Danach kann die eigentliche Entwicklung<br />

nach V-Modell beginnen.<br />

Parallel zu allen Phasen startet nun der Assessment<br />

Prozess mit geplanten Reviews und Berichten. Während<br />

aller Entwicklungsphasen muss das Vier-Augen-Prinzip<br />

gelten (geplante, protokollierte Reviews mit Freigabe<br />

durch benannte Personen). Dabei darf ein Autor nicht<br />

selbst sein Werk testen. Eigenschaften und Änderungen<br />

müssen nachvollziehbar sein (Traceability), im einfachsten<br />

Fall mit einer Traceabilitymatrix oder auch mit einem<br />

Datenbankwerkzeug.<br />

1.5 Schritt 3: Design<br />

Beim Firmware Design kann ein CASE-Tool mit möglicher<br />

Anbindung an die Anforderungen-Datenbank hilfreich<br />

verwendet werden. Hierdurch lassen sich weitere Fehler<br />

vermeiden und eine Nachvollziehbarkeit (Traceability)<br />

sicherstellen. Das fertige Firmware Design wird einer Software<br />

Kritikalitätsanalyse (FMECA oder SWCA) unterzogen.<br />

Hierbei werden alle Operationen klassifiziert in Bezug<br />

auf ihren Einfluss auf sicherheitskritische Funktionalität.<br />

Kontroll- und Datenfluss für jede Operation werden analysiert.<br />

Das Ergebnis sind Maßnahmen zur Fehlervermeidung<br />

oder -beherrschung, die im Design umzusetzen sind.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

27


anche<br />

Auch im Hardware Design kommen Tools für Berechnungen<br />

und Simulation zum Einsatz. Nach Erstellung der<br />

Hardware Schemas wird eine FMEDA auf Bauteilebene<br />

durchgeführt, um die erreichte PFH für jede Sicherheitsfunktion<br />

zu bestimmen. Das Design ist nun abgeschlossen.<br />

Testfälle werden spezifiziert mit Bezug auf die betroffenen<br />

Anforderungen, das heißt jeder Testfall zeigt, welche<br />

Anforderungen damit getestet werden. In der Regel wird<br />

man zuerst Black-Box-Tests definieren, um die Gerätefunktionalität<br />

sicherzustellen. Dann werden Anforderungen<br />

übrig bleiben, die weitere Testfälle erfordern. Werden alle<br />

Tests ebenfalls datenbankbasiert spezifiziert, kann die Testabdeckung<br />

automatisiert gewährleistet werden. Den Abschluss<br />

bildet eine Design Review durch eine qualifizierte<br />

Person mit dem Ziel der Erfüllung aller Anforderungen.<br />

1.6 Schritt 4: Design Integration<br />

Hier wird das Layout erstellt (Luft- und Kriechstrecken<br />

beachten!), Boards werden bestückt und vorab in Betrieb<br />

genommen. In der Firmware wird gemäß des Firmware<br />

Designs implementiert. Zur Qualitätssicherung sind statische<br />

Codeanalysen mit Softwaremetriken, Unit Testing<br />

und Code Coverage Tests unerlässlich. Defensive Programmierung<br />

sollte angestrebt werden. Ein Codierstandard<br />

wie MISRA-C 2004 hilft, Fehler zu vermeiden.<br />

Anschließend wird entwickelte Hardware mit einer<br />

Test-Firmware in Betrieb genommen, um Schnittstellentests<br />

durchzuführen. Die Integration ist beendet, wenn<br />

die Hardware beweisbar funktioniert. Erst jetzt wird die<br />

Hauptfirmware auf der neuen Hardware schrittweise<br />

integriert und verifiziert.<br />

1.7 Schritt 5: Test<br />

Black-Box-Tests auf Systemebene werden für alle Systemfunktionen<br />

durchgeführt, die sich auf externe Schnittstellen<br />

auswirken. Dazu gehören Funktionstests unter Normalbedingungen,<br />

Temperaturtests wie auch EMV-Tests und<br />

Umwelttests gemäß den anzuwendenden Normen. White-<br />

Box-Tests im Bereich Hardware sind die Charakterisierung<br />

an einem Muster (Signalpegel, -form, Ströme, Wärme) oder<br />

Firmware Verifikation (Timings, Interrupts, Belastung,<br />

Teil-Funktionalität). Fault Insertion Tests in Hard- und<br />

Software werden angewendet, um zu beweisen, dass sich<br />

Fehler auch wirklich funktional sicher beherrschen lassen.<br />

Tests werden in separaten Protokollen (nicht in der Testspezifikation)<br />

so dokumentiert, dass jeder Test reproduzierbar<br />

ist. Daraus folgt, dass automatisierte Tests in jedem Fall<br />

zu bevorzugen sind. Alle Berichte und Protokolle sind aufzubewahren.<br />

Mängel sind gemäß dem definierten Änderungsprozess<br />

zu bewerten und zu beseitigen. Funktioniert<br />

das Produkt nach allen Spezifikationen korrekt, so kann<br />

das Produkt zur Zertifizierung eingereicht werden.<br />

1.8 Schritt 6: Zertifizierung<br />

Während der Zertifizierung wird die gesamte Entwicklungsdokumentation<br />

begutachtet. Es wird nachvollzogen,<br />

inwieweit die Anforderungen der IEC 61508 eingehalten<br />

wurden. Stichprobenartig wird vom Assessor von der Einhaltung<br />

organisatorischer Anforderungen über das Projektvorgehen<br />

bis auf Einzelbauteilebene (Hardware) und Codezeile<br />

(Software) nach Konformität geprüft. Wenn diese in<br />

allen Punkten festgestellt wird, wird das Zertifikat erteilt.<br />

Fazit<br />

Keine Angst vor einer Funktional Safety Entwickung – es gibt<br />

einen erprobten Weg! Wenn alle Schritte beachtet werden und<br />

erfahrene Helfer einbezogen werden, kann man auch als Einsteiger<br />

mit wenig Erfahrung ein SIL-Produkt entwickeln und<br />

das Ziel – die Zertifizierung – erreichen. Die Unterstützung<br />

durch externe Dienstleister kann dabei den Weg von der<br />

IEC-Norm über das Sicherheitskonzept und dessen Umsetzung<br />

bis zum serienreifen Produkt erheblich erleichtern.<br />

Abkürzungsverzeichnis<br />

Autoren<br />

SIL<br />

SFF<br />

CASE<br />

FMEA<br />

FMECA<br />

FSM<br />

FW<br />

HW<br />

PFH<br />

SRS<br />

SWCA<br />

FMEDA<br />

Safety Integrity Level<br />

Safe Failure Fraction: Anteil aller Fehler, die zum sicheren Zustand<br />

führen. Design Größe<br />

Computer aided software engineering<br />

Failure mode and effect analysis<br />

Failure mode and effect criticality analysis<br />

Funktionales Sicherheitsmanagement:<br />

Baut auf QM-System auf<br />

Firmware (embedded Software)<br />

Hardware<br />

Probability of failure per hour:<br />

Fehlereintrittswahrscheinlichkeit pro Stunde<br />

Sicherheitsanforderungen Specification: Beinhaltet Sicherheitsanforderungen<br />

und Sicherheitsintegritätsanforderungen auf<br />

Produktebene<br />

Software criticality analysis<br />

Auch: Hardware FMEA – FMEA auf Bauteilebene<br />

Dipl.-Ing. Andreas Keller<br />

(geb. 1971) arbeitete an<br />

diversen Projekten in<br />

Deutschland sowie in den<br />

USA. Seit 2004 hat er sich<br />

auf das Thema Funktionale<br />

Sicherheit spezialisiert.<br />

Seit 2003 arbeitet er bei<br />

Mesco als TÜV-zertifizierter<br />

„Functional Safety Engineer“, Gruppenleiter,<br />

Projektleiter und Kundenberater für sicherheitskritische<br />

Entwicklungen.<br />

Mesco Engineering GmbH,<br />

Wiesentalstr. 74, D-79539 Lörrach,<br />

Tel. +49 (0)7621 89031-0,<br />

E-Mail: Andreas.Keller@mesco.de<br />

28<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


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Hauptbeitrag | Automation 2011<br />

Vergleichende Bewertung<br />

von Anlagenkonzepten<br />

Werkzeugunterstützte Optimierung von Lebenszykluskosten<br />

Ein Verfahren zur vergleichenden Beurteilung von Investitionsalternativen in Bezug auf<br />

die Lebenszykluskosten (LCC) von Produktionsanlagen ist Thema dieses Beitrags. Das<br />

durch ein entsprechendes Werkzeug unterstützte Verfahren ermöglicht es Betreibern und<br />

Planern von Anlagen, technische Varianten in Bezug auf die über den Lebenszyklus der<br />

Anlagen zu erwartenden Gesamtkosten zu bewerten. Anhand von Beispielen werden<br />

Anwendungsmöglichkeiten aus dem Bereich von Anlagen der kommunalen Wasserwirtschaft<br />

vorgestellt.<br />

SCHLAGWÖRTER Energieeffizienz / Lebenszykluskosten / Investitionsentscheidung /<br />

Anlagenkonzepte<br />

Comparative Assessment of Plant Concepts<br />

Tool assisted optimization of life cycle costs<br />

A method is presented to evaluate and compare different concepts and investment alternatives<br />

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

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

to assess and compare different technological variants in a standardized procedure with<br />

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

of municipal water treatment plants in Germany.<br />

KEYWORDS Energy efficiency / Life cycle costs / investment decision / Plant concepts<br />

30<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


Dr.-Ing. Eckhard Roos, Festo AG&Co KG<br />

Energieeffizienz und die Optimierung spezifischer<br />

Produktionskosten sind zentrale gesellschaftliche<br />

und betriebliche Themen, denen<br />

wir uns stellen müssen. Energieeffiziente<br />

Technologien sind in der Investitionsphase<br />

oftmals teurer als traditionelle Technologien. Über den<br />

gesamten Lebenszyklus einer Produktionsanlage zahlen<br />

sich Maßnahmen zur Effizienzsteigerung und zur<br />

Senkung der Lebenszykluskosten einer Anlage (LCC)<br />

aber meistens aus.<br />

Die zu erwartenden Gesamtkosten von Produktionsanlagen<br />

über den Lebenszyklus, der bei Anlagen der<br />

kommunalen Wasser- und Abwasseraufbereitung und<br />

bei verfahrenstechnischen Produktionsanlagen bis zu<br />

25 Jahre betragen kann (Bild 1), können aber in Abhängigkeit<br />

der (verfahrens)technischen Auslegung der Anlagen<br />

und der eingesetzten Automatisierungskomponenten<br />

und -systeme stark variieren. Eine Anlagen- beziehungsweise<br />

Automatisierungsvariante mit niedrigsten<br />

Investitionskosten muss bei einer Betrachtung der Summe<br />

aller Kosten des Lebenszyklus nicht immer das betriebswirtschaftliche<br />

Optimum darstellen.<br />

Eine reine Betrachtung der Investitionskosten bei der<br />

Bewertung von Alternativtechnologien greift zu kurz<br />

und kann bei der Aufgabe der Senkung von LCC zu falschen<br />

Schlüssen führen. Leider werden Investitionsentscheidungen<br />

aber auch heute noch oftmals ausschließlich<br />

auf Basis der Investitionskosten getroffen, obwohl<br />

unter anderem die öffentliche Vergabeordnung fordert,<br />

dass auch LCC und Energieeffizienz bei der Evaluierung<br />

von Alternativtechnologien zu berücksichtigen sind.<br />

1. Potenziale der Energieeffizienzoptimierungen<br />

In der Gesamtkette des Energiestromes von der Primärenergieförderung<br />

bis zur Umwandlung von elektrischer<br />

Energie in Wärme, kinetische oder potentielle Energie<br />

treten Verluste auf wie zum Beispiel beim Transport<br />

durch Pipelines oder bei der Umwandlung der Primärenergie<br />

in elektrische Energie in Kraftwerken. Die größten<br />

Potenziale zur Steigerung der Energieeffizienz werden in<br />

den Produktionsprozessen der Verfahrenstechnik und der<br />

Fertigungstechnik gesehen [1].<br />

Das Potenzial kann dabei durch verschiedene Maßnahmen<br />

ausgeschöpft werden, wie zum Beispiel durch<br />

Anwendung energieeffizienter Einzelkomponenten<br />

(beispielsweise energieeffiziente Motoren)<br />

Automatisierungsstrukturen, die eine Anlagenfahrweise<br />

angepasst an die jeweiligen Anforderungen<br />

ermöglichen (wie Sauerstoffeintrag in Klärwerken<br />

in Abhängigkeit der aktuellen Parameter der<br />

Schmutzfracht)<br />

geänderte technische Auslegungen der Anlagen<br />

(siehe Beispiele in diesem Artikel)<br />

Weitere Kennwerte aus einer Studie des Bundesumweltamtes<br />

aus dem Jahre 2006 zeigen das enorme Potenzial<br />

an Möglichkeiten der Effizienzsteigerung am Beispiel<br />

kommunaler Kläranlagen [2]. Kommunale Kläranlagen<br />

verbrauchen im Durchschnitt 4400 GWh (pro Jahr), was<br />

0,7% des bundesweiten Verbrauchs an elektrischer<br />

Energie,<br />

20% des Verbrauchs elektrischer Energie der<br />

Kommunen und<br />

einem Äquivalent von 3 Mio t CO2 entspricht.<br />

Die größten Verbraucher der Energie in Klärwerken sind<br />

dabei<br />

Einrichtungen zur Belüftung<br />

Pump- und Rührwerke<br />

Schlammbehandlung.<br />

In Klärwerken gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten,<br />

die Energieeffizienz zu steigern. Zum einen werden<br />

laut [2] durch Faulgaserzeugung und dessen Verstromung<br />

schon etwa 865 GWh (zirka 20% des Gesamtbedarfs)<br />

in den Anlagen selbst erzeugt. Dieses Potenzial<br />

kann sicherlich noch weiter ausgebaut werden. Zum<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

31


Hauptbeitrag | Automation 2011<br />

BILD 1: Kosten über den Lebenszyklus von<br />

Produktionsanlagen, schematische Darstellung<br />

BILD 2: Potenziale für Energieeffizienzsteigerungen [1]<br />

anderen schätzen Experten die Möglichkeiten von Einsparungen<br />

der elektrischen Energie auf bis zu 20%.<br />

Wenn man dieses Potenzial in Relation zu den Steigerungsmöglichkeiten<br />

der Energieerzeugung aus Faulgas<br />

setzt, erkennt man, dass durch die Ausschöpfung von<br />

Maßnahmen der Energieeffizienzsteigerung energetisch<br />

gesehen das gleiche Ergebnis erreicht werden kann, wie<br />

durch eine Verdopplung der Erzeugung elektrischer<br />

Energie durch Faulgasverstromung.<br />

Dies bedeutet, Energieeffizienz sollte sich also rechnen.<br />

Gleichzeitig wird aber auch die Notwendigkeit der<br />

Nutzung von Systemen des Energiemonitoring deutlich,<br />

denn nur was messbar ist, kann auch optimiert werden.<br />

Und nur das ständige Monitoring der Auswirkungen von<br />

Maßnahmen der Energieeffizienz ermöglicht die Sensibilisierung<br />

des Betriebspersonals und die Implementierung<br />

eines dauerhaften Bewusstseins für das Thema<br />

Energieeffizienz. In jedem Fall ist jedoch ein stärkeres<br />

und vor allem auch konsequenteres Handeln in Richtung<br />

Energieeffizienz und LCC-Optimierung erforderlich.<br />

2. Toolunterstützung zur Bewertung von<br />

Alternativtechnologien nach LCC [1]<br />

Derzeit sind noch wesentliche Barrieren vorhanden, die<br />

eine Durchdringung/Implementierung der Bewertung<br />

von Maßnahmen zur Minimierung der LCC bei Investitionsentscheidungen<br />

vor allem im öffentlichen Auftragswesen<br />

verhindern. Hierzu zählen:<br />

eine gewisse ‚Blaupausenmentalität‘, das heißt mögliche<br />

neue und effizientere Technologien werden<br />

nicht in den Planungsprozess eingebracht, da im<br />

Sinne der Optimierung von Planungskosten meistens<br />

auf traditionelle Lösungen, die der Planer und<br />

Betreiber kennt, zurückgegriffen wird.<br />

mangelnde Erfahrung in der Bewertung von Alternativtechnologien.<br />

Eine Investitionsentscheidung ist für<br />

die Betreiber von Wasser- beziehungsweise Abwasseranlagen<br />

keine häufig wiederkehrende Aufgabe.<br />

Oftmals steht diese Aufgabe nur einmal in fünf Jahren<br />

an. Die vorhandene Erfahrung zur Bewertung von<br />

Alternativtechnologien ist daher häufig nicht vorhanden<br />

und der Aufwand zur Einarbeitung in Methoden<br />

der Bewertung von Alternativtechnologien ist sehr<br />

hoch für diese sehr selten zu durchlaufenden Arbeitsschritte.<br />

Daher wird der Aufwand meistens nicht<br />

betrieben und auf bekannte Verfahren zurückgegriffen.<br />

Die Bewertung wird ausschließlich auf Basis der<br />

Investitionskosten vorgenommen.<br />

fehlende Anreizsysteme für die Optimierung der<br />

Anlagentechnologien. Die Planungsleistungen<br />

werden nach vorgegebenen Honorarordnungen ver-<br />

32<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


BILD 4: Übersicht über<br />

das Pumpwerk<br />

BILD 3: Eingabemaske und Ergebnispräsentation des<br />

Excel-basierten ZVEI-Tools zur Bewertung von Alternativtechnologien<br />

in Bezug auf Energieeffizienz und LCC<br />

BILD 5: Tropfkörperanlage<br />

gütet, die sich an der Gesamtsumme der Investitionskosten<br />

orientieren. Ein Anreiz, über die Honorarordnung<br />

auch Investitionen in Energieeffizienz<br />

und LCC Optimierung zu fördern, ist derzeit nicht<br />

vorhanden; das führt wiederum zur ‚Blaupausenmentalität‘.<br />

Um die Berücksichtigung von energieeffizienten Technologien<br />

und des LCC-Gedankens im Vergabeprozess<br />

– vor allem im öffentlichen Bereich – zu stärken, hat<br />

der ZVEI zusammen mit dem Unternehmen Deloitte ein<br />

anwendungsfreundliches Instrument entwickelt. Es<br />

stellt unterschiedlichste Alternativtechnologien unter<br />

Einbeziehung von Fragen der Energieeffizienz und der<br />

LCC und deren Auswirkungen transparent dar und<br />

macht sie über den Betrachtungszeitraum monetär vergleichbar.<br />

Das Excel-basierte Werkzeug wird dabei durch die folgenden<br />

Punkte charakterisiert [1] :<br />

Abbildung des vollständigen Lebenszyklus einer<br />

Anlage vom Engineering über die Installations- und<br />

Betriebsphase bis zur Deinstallationsphase<br />

Berücksichtigung aller relevanten betriebswirtschaftlichen<br />

Kostenfaktoren, wie zum Beispiel Personal,<br />

Material, Energie, Fremdleistungen, Finanzierung<br />

Möglichkeit der strukturierten Berücksichtigung<br />

und Analyse ausgewählter Kostenhaupt- und -unterkategorien<br />

Parametrierbarkeit von Merkmalen, die eine Vergleichbarkeit<br />

zu einem Stichtag ermöglichen, wie<br />

beispielsweise Diskontierungssatz<br />

Auswertung über Kennzahlen mit entsprechenden<br />

grafischen Aufbereitungen<br />

Der wesentliche Vorteil des Tools ist, dass es nicht nur<br />

die Betrachtung einzelner Komponenten (wie drehzahlgeregelte<br />

Antriebe, energieeffiziente Antriebe) ermöglicht,<br />

sondern es können auch völlig unterschiedliche Maßnahmen<br />

innerhalb einer Anlage einer ganzheitlichen Betrachtung<br />

unterzogen und entsprechend monetär über den<br />

Lebenszyklus bewertet werden.<br />

3. Beispiel: Pumpenkonfiguration<br />

Wie eine Anlagenmodernisierung konkret umgesetzt<br />

werden kann und welche Vorteile sie dem Betreiber bietet,<br />

lässt sich am Klärwerk Böblingen-Sindelfingen verdeutlichen;<br />

es reinigt die Abwässer von 250.000 Einwohnern.<br />

Neben der mechanischen und biologischen Reinigungsstufe<br />

sowie der Schlammbehandlung wird hier als<br />

zusätzliche Reinigungsstufe eine Flockungsfiltration<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

33


Hauptbeitrag | Automation 2011<br />

nachgeschaltet, um die Gewässergüte des Flusses<br />

Schwippe zu verbessern. Derzeit wird eine Aktivkohlebehandlung<br />

gebaut, die nach Fertigstellung der Flockungsfiltration<br />

noch vorgeschaltet wird.<br />

Das folgende Beispiel wurde im zentralen Pumpwerk<br />

der Kläranlage realisiert. Das Abwasser aus der Vorklärung<br />

wird in das Verteilungsbauwerk für die sieben<br />

Tropfkörper (Bild 4, 5) gepumpt.<br />

Dafür stehen sechs Kreiselpumpen im Pumpenkeller<br />

zur Verfügung. Davon sind je nach Belastungsgrad drei<br />

bis fünf Pumpen in Betrieb, eine Pumpe wird als Redundanz<br />

vorgehalten. Die Kenndaten jeder Pumpe sind:<br />

Nennleistung 90 kW, Nennspannung 400V, Förderleistung<br />

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

der Druckleitung beträgt DN350. Das Pumpwerk<br />

war vor dem Umbau standardmäßig wie in Bild 6 dargestellt<br />

wird:<br />

Die Situation vor dem Umbau war durch folgende<br />

Merkmale gekennzeichnet:<br />

a) ständiger Druckverlust und damit Energieverlust<br />

über der Rückschlagklappe<br />

b) Reduzierung des effektiven Rohrleitungsquerschnitts<br />

durch die sich im Volumenstrom befindliche<br />

Klappe<br />

c) Wasserschläge beim Schließen der Klappe mit entsprechenden<br />

Schwingungen des Rohrleitungssystems<br />

d) Gasbildung vor der Klappe bei längerem Pumpenstillstand.<br />

Diese verhindert das automatische Öffnen<br />

der Rückschlagklappe beim Anlauf der Pumpe,<br />

manuelles Öffnen ist dann erforderlich<br />

e) größere Einbaumaßnahme wegen der erforderlichen<br />

Personenschutzeinrichtungen bedingt durch die<br />

beweglichen Teile der Rückschlagklappe<br />

Die Lebensdauer einer Rückschlagklappe beträgt erfahrungsgemäß<br />

etwa zwölf Jahre, der kontinuierliche Verschleiß<br />

ist aber nicht erkennbar, das heißt auftretende<br />

Undichtigkeiten werden nicht erkannt.<br />

Im Rahmen des nötigen Ersatzes der Rückschlagklappe<br />

wurde die Gesamtkonfiguration nochmals technologisch<br />

untersucht. Das Ergebnis führte dazu, dass die<br />

Rückschlagklappe vollständig und funktional ersetzt<br />

wurde durch eine pneumatische Automatisierung der<br />

bestehenden manuellen Absperrschieber (Bild 7). Ein<br />

zusätzlicher Druckluftspeicher wurde installiert, um<br />

auch im Notfall ausreichend Reserve zur Betätigung der<br />

Absperrschieber bereitzustellen.<br />

Die Anordnung der Aggregate nach dem Umbau zeigt<br />

Bild 7. Durch die modifizierte Pumpenkonfiguration werden<br />

die erwähnten Nachteile a - e der Ursprungsinstallation<br />

künftig vermieden und gleichzeitig wird eine<br />

längere Standzeit der Aggregate erreicht.<br />

Die Vorteile aus Sicht der Energieeffizienz sind ebenfalls<br />

erheblich. In Summe werden<br />

2% des Gesamtbedarfs an elektrischer Energie der<br />

Kläranlage pro Jahr eingespart<br />

4% des Gesamtbedarfs an elektrischer Energie der<br />

Pumpen pro Jahr eingespart.<br />

Die Investitionen betragen bei<br />

einem Ersatz der Rückschlagklappe durch<br />

eine neue Klappe min. 18.000 EUR<br />

einem Umbau wie beschrieben (Bild 7)<br />

etwa 25.000 EUR<br />

Die eingesparten Energiekosten betragen zirka 11.300<br />

EUR/a<br />

Der ROI ist < ein Jahr<br />

Bei günstigeren hydraulischen Verhältnissen in der<br />

Anlage können nach Abschätzungen des Betreibers<br />

bis zu 10% der jährlichen Pumpenenergie eingespart<br />

werden.<br />

Zudem ist die gesamte Struktur des Pumpwerkes (Bild 8)<br />

wesentlich übersichtlicher, auch konnte überall Platz gewonnen<br />

und der Lärmpegel deutlich gesenkt werden. Da<br />

die Absperrschieber dicht schließen, treten keine unerkannten<br />

Leckagen mehr im Betrieb auf.<br />

4. Beispiel: Antriebstechnologien<br />

Durch die Universität Braunschweig wurde für eine neue<br />

Teilanlage des Zweckverbandes Wasserversorgung Kleine<br />

Kinzig ein Vergleich unterschiedlicher Antriebstechnologien<br />

durchgeführt [3]. In der Studie wurde an dieser<br />

realen Anlage elektrische Antriebstechnik mit pneumatischer<br />

Antriebstechnik verglichen – auf Basis der für<br />

diese Anlage typischen Parameter. Der Anlagenteil der<br />

Vorreinigung besteht dabei aus acht Filterbecken angeordnet<br />

in zwei Ebenen.<br />

Jedes Filterbecken ist ausgerüstet mit sieben Auf/Zu-<br />

Ventilen und einem Regelventil. Die Schalthäufigkeit der<br />

Ventile ist extrem niedrig, unter Umständen nur einmal<br />

pro Tag. Innerhalb der Studie wurden die folgenden Parameter<br />

in den einzelnen Phasen des Lebenszyklus der<br />

Anlage berücksichtigt:<br />

Kosten in der Anschaffungs- und Installationsphase<br />

Projektierung<br />

Beschaffung<br />

Montage und IBS<br />

Nutzungsphase<br />

Energiekosten<br />

Inspektions- und Wartungskosten,<br />

Reparaturkosten<br />

Demontage und Entsorgungskosten<br />

Ein wesentlicher Punkt für Untersuchungen der Lebenszykluskosten<br />

von Anlagen ist die funktionale<br />

Abgrenzung des betrachteten Systems. Die Bilder 11<br />

und 12 zeigen die jeweilige Abgrenzung der Systeme<br />

aus Sicht der Automatisierungstechnik, der Energieversorgung<br />

und des Prozessanschlusses für das beschriebene<br />

Beispiel. Hierbei geht es unter anderem<br />

darum, auch Betriebsphilosophien und Anforderungen<br />

in diesem Vergleich abzubilden, da diese Anforderungen<br />

zum Beispiel Auswirkungen auf Investitions-<br />

und Betriebskosten haben können. In dem beschriebenen<br />

Beispiel wurde vorausgesetzt, dass bei<br />

Ausfall der elektrischen Energieversorgung die Anla-<br />

34<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


BILD 6: Schematische Darstellung der<br />

Pumpenkonfiguration vor dem Umbau<br />

BILD 7: Schematische Darstellung der<br />

Pumpenkonfiguration nach dem Umbau<br />

BILD 9:<br />

Prozessventile<br />

der Filterbecken<br />

BILD 10:<br />

Anlagenübersicht<br />

BILD 8: Pumpwerk nach dem Umbau<br />

BILD 11: Abgrenzung des<br />

pneumatischen Systems<br />

BILD 12: Abgrenzung des<br />

elektrischen Systems<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

35


Hauptbeitrag | Automation 2011<br />

BILD 13: Detailplanung<br />

pneumatische Lösung<br />

BILD 14: Detailplanung<br />

elektrische Lösung<br />

BILD 15: Vergleich der LCC (in<br />

EUR) über einen Betrachtungszeitraum<br />

von 25 Jahren<br />

Investitionsprojekt I:<br />

pneumatische Antriebstechnik<br />

oInvestitionsprojekt II:<br />

elektrische Antriebstechnik<br />

36<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


ge in jedem Fall noch bedienbar sein sollte. Dies ist in<br />

dem Vergleich durch eine entsprechende Notstromversorgung<br />

realisiert worden.<br />

Die Anlage wurde dann komplett in Bezug auf die zu<br />

erwartenden Engineering- und Montagekosten untersucht.<br />

Hierzu wurde ein Detailengineering durchgeführt<br />

einschließlich der Ermittlung von Kabel- und Schlauchlängen,<br />

erforderlicher Infrastruktur, Definition örtlicher<br />

Verteilungen und so weiter (Bild 13 und 14).<br />

Ein Vergleich der LCC (Bild 15) über einen Betrachtungszeitraum<br />

von 25 Jahren zeigt für diese Anlage, dass<br />

die Betriebskosten inklusive der Wartungskosten im<br />

Vergleich zu den Investitionskosten einen deutlich<br />

niedrigeren Stellenwert haben<br />

die Kosten für die elektrische und pneumatische<br />

Energie bei Anlagen, die eine entsprechend geringe<br />

Schalthäufigkeit aufweisen, vernachlässigbar sind.<br />

Derartige Ergebnisse spiegeln immer nur die Gegebenheiten<br />

der real untersuchten Anlage wider. Eine Übertragung<br />

auf Anlagen gleichartiger Charakteristik ist sicher<br />

möglich. Eine Übertragung auf Anlagen mit anderen Charakteristiken<br />

ist nicht zulässig, da hier andere Parameter<br />

eine deutlich gewichtigere Rolle spielen können. Der Verbrauch<br />

an Energie ist bei der untersuchten Anlage wegen<br />

der geringen Schalthäufigkeit der Ventile zu vernachlässigen.<br />

Dementsprechend sind die Kosten während der<br />

Betriebsphase deutlich geringer als die Investitionskosten.<br />

Bei Anlagen der Fertigungstechnik ist zumindest die<br />

letzte Aussage nicht per se zutreffend, da bei diesen Anlagen<br />

das Verhältnis von Energiekosten zu Investitionskosten<br />

deutlich größer ist. Eine Übertragbarkeit der Ergebnisse<br />

ist daher nicht ohne weiteres möglich.<br />

sich Energieeffizienz und LCC Optimierung<br />

auszahlen<br />

LCC Betrachtungen zu einem integralen Bestandteil<br />

des Planungs- und Vergabeprozesses bei<br />

Investitionsvorhaben wird<br />

Das Tool des ZVEI hat hier eine wesentliche Voraussetzung<br />

geschaffen, dass die aktuell noch vorhandenen Barrieren,<br />

die die Betrachtung der LCC im Planungs- und<br />

Entscheidungsprozess behindern, abgebaut werden. Die<br />

Anwendung des Tools ist nicht auf Investitionsprojekte<br />

der öffentlichen Hand beschränkt, das Tool ist für Projekte<br />

aller Art nutzbar.<br />

Manuskripteingang<br />

30. mai 2011<br />

Referenzen<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

[1] ZVEI: Flyer Energieeffizienz rechnet sich!,<br />

Veröffentlichung April 2011<br />

[2] Umweltbundesamt: Studie ‚Steigerung der Energieeffizienz<br />

auf kommunalen Kläranlagen‘, 2006<br />

[3] Tobias Beck: Entwicklung und Implementierung eines<br />

Konzeptes zur lebenszyklusorientierten Bewertung<br />

von Antriebstechniken für Industriearmaturen,<br />

Diplomarbeit TU Braunschweig. Mai 2007<br />

Zusammenfassung<br />

In der Steigerung der Energieeffizienz und der Optimierung<br />

der LCC liegt ein wesentlicher Schlüssel zur zukünftigen<br />

Verringerung der CO2 Emissionen<br />

Verringerung des Bedarfs an installierter Kraftwerksleistung<br />

Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der Industrie<br />

Voraussetzung für die Optimierung ist das Wissen über<br />

die aktuelle Situation des (effizienten) Energieverbrauchs,<br />

denn Wissen schafft Bewusstsein. Und nur das, was messbar<br />

ist, kann auch optimiert werden. Transparenz in den<br />

Energieverbräuchen ist künftig ein absolutes Muss in allen<br />

Produktionsanlagen.<br />

Wir benötigen aber für einen größeren Schritt in Richtung<br />

LCC Optimierung auch einen Wandel im Denken<br />

und Handeln, weg von der Blaupausenmentalität hin zu<br />

stärkerem Bewusstsein, dass<br />

Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit kein<br />

Widerspruch sind<br />

Autor<br />

Dr.-Ing. Eckhard Roos<br />

(geb. 1958) ist Leiter des<br />

Industry Segment Management<br />

Process Automation<br />

der Festo AG&Co KG in<br />

Esslingen. Er studierte<br />

Elektrische Energietechnik<br />

an der TH Darmstadt und<br />

promovierte auch auf diesem<br />

Gebiet. Nach mehrjähriger Tätigkeit im Corporate<br />

Engineering der Hoechst AG verantwortete<br />

er die Business Unit Chemicals, Oil&Gas der<br />

ABB AG in Deutschland, bevor er 2006 zu Festo<br />

wechselte.<br />

Festo AG&Co KG,<br />

Rechbergstraße 19, D-73770 Denkendorf,<br />

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

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

37


Hauptbeitrag | Automation 2011<br />

Testen verteilter<br />

Automatisierungssysteme<br />

Objektstruktur beschreiben um Testzuverlässigkeit zu erhöhen<br />

Bei vernetzten wertdiskreten Echtzeitsystemen helfen automatisierte Testverfahren, komponentenübergreifende<br />

Fehler während der Systemintegration und im laufenden Betrieb<br />

zu entdecken. Die Testfälle werden mit zeitbehafteten Ursache-Wirkungs-Graphen beschrieben.<br />

Mit grafischen Testfällen und Messungen des Busverkehrs wird der Informationsfluss<br />

im verteilten System verfolgt und auf Inhalt und Zeitbedingungen überprüft.<br />

Somit sind die Knotengruppen oder auch Knoten lokalisierbar, die am Fehlverhalten<br />

beteiligt sind. Bei der erweiterten Informationsflussverfolgung wird zusätzlich die Systemstruktur<br />

des Testobjektes, bestehend aus Knoten und Verbindungen, verwendet. Mit<br />

symbolischen Testplandaten und der Filterung der Rohdaten wird der White-Box Test auf<br />

einem hohen Abstraktionsniveau durchgeführt. Eine Komponentenbibliothek dient hierbei<br />

zur Zeitspezifikation der Netzknoten und der Verbindungen. Mit der Integration der<br />

Systemstruktur-Information in die Testplanung werden die Nachrichten für die Testfälle<br />

interaktiv generiert. Somit wird, wie im Beitrag dargestellt, die Testplanerstellung erleichtert<br />

und die Testzuverlässigkeit erhöht.<br />

SCHLAGWÖRTER Testobjekt Systemstruktur / Informationsflussverfolgung /<br />

White-box Systemtest / Konfigurationsabhängige Protokollanalyse /<br />

Nachrichtengenerierung<br />

System structure-based testing for distributed automation systems<br />

to increase testing reliability<br />

Automated testing procedures help to locate distributed errors in networked real-time<br />

systems during system integration and operation. The test cases are described with timedependent<br />

cause-and-effect graphs. The information flow in the distributed system is<br />

tracked for content and time conditions by means of graphical test cases and acquisition<br />

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

test object, consisting of nodes and connections, is used for extended information flow<br />

tracking. Symbolic test planning data and the filtering of the raw data supports white-box<br />

system testing at high abstraction level. A component library serves for time specifications<br />

of the network nodes and connections. The messages for the test cases are generated interactively<br />

using system structure information of the test object. Thus test plan generation<br />

is facilitated and testing reliability is increased.<br />

KEYWORDS Testobject systemstructure / information flow tracking /<br />

white-box system testing / configuration dependent protocol analysis /<br />

message generation<br />

38<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


Eugen Noak, Silvije JovalekiC, Hochschule Albstadt-Sigmaringen,<br />

Bernd Rist, Honeywell Security Group<br />

Die industrielle System- und Softwareentwicklung<br />

ist durch immer komplexere Anwendungssysteme<br />

gekennzeichnet. Die fehlerfreie<br />

Auslieferung und eine qualifizierte,<br />

kostengünstige Wartung sind für die Qualität<br />

solcher Produkte entscheidend. Durch formale Methoden<br />

alleine können Fehler der Kommunikation und<br />

des Zeitverhaltens nicht lokalisiert werden. Zur Sicherstellung<br />

der Qualität ist das Testen sehr wichtig.<br />

Manuelles Testen ist sehr zeit- und kostenintensiv, sodass<br />

eine weitgehende Automatisierung der Testvorgänge<br />

notwendig ist. In der Kommunikationstechnik<br />

werden sehr leistungsfähige Testsprachen und Werkzeuge<br />

eingesetzt. In der Fahrzeugtechnik wird der<br />

Hardware-In-the-Loop-Test praktiziert. Bei verteilten<br />

Automatisierungssystemen und bei mechatronischen<br />

Systemen wurden grafische Methoden wie Sequenzdiagramme,<br />

Zustandsdiagramme oder Ursache-Wirkungs-Graphen<br />

zur Formulierung der Testfälle vorgeschlagen.<br />

Eine Ursache-Wirkungs-Analyse ermöglicht<br />

die Verfolgung des Informationsflusses im betrachteten<br />

System [1][2][3][4][5].<br />

Zur Unterstützung der White-Box-Systemtests wurde<br />

zusätzlich eine strukturelle Beschreibung des Testobjektes<br />

eingeführt. Dadurch lassen sich die erfassten<br />

Informationen auf einer höheren Abstraktionsebene<br />

interpretieren. Diese erweiterte Informationsflussverfolgung<br />

ermöglicht neue Auswertungen, die bei der<br />

Fehlersuche nützlich sind. Dazu gehören die konfigurationsabhängige<br />

Protokollanalyse, die Ereignisliste<br />

und das Impulsdiagramm [6][7][8].<br />

Im Beitrag werden wir die Beschreibungsmöglichkeiten<br />

der Zeiteigenschaften der Testobjekte und die<br />

Auswertungen während der Testplanung behandeln.<br />

Eine häufige Fehlerquelle in der Testplanung ist die<br />

Spezifikation der Nachrichtenmasken. Die Struktur<br />

der Nachrichten ist in den Filtern der Protokollanalyse<br />

beschrieben. Zur Reduktion der Planungsfehler<br />

wurde deshalb eine halbautomatische Nachrichtengenerierung<br />

aus den Filterspezifikationen vorgeschlagen<br />

und erprobt.<br />

1. Testplanung mit zeitbehafteten<br />

Ursache-Wirkungs-Graphen<br />

Die Testfälle werden mit dem zeitbehafteten Ursache-<br />

Wirkung Graphen beschrieben. Die Kommunikationskanäle,<br />

Zeitbedingungen und die Ablaufstruktur ermöglichen<br />

die Beschreibung von diskreten verteilten<br />

Systemen. Die Elemente der grafischen Beschreibungssprache<br />

sind Testprojekte, Testfälle, Testoperationen<br />

und Testübergänge [5].<br />

Im BILD 1 wird die Testplansprache an einem Beispiel<br />

aus der Gebäudesicherungstechnik erläutert. Das<br />

Testobjekt besteht aus einem Bewegungsmelder, einem<br />

Glasbruchmelder, einem Ausgangsmodul, einer Sirene<br />

und einer Lichtanzeige, die über den Feldbus, den internen<br />

Bus, das Sicherheitsnetzwerk und den Backbone<br />

mit der Einbruchmeldezentrale kommunizieren.<br />

Der Nachrichtenverkehr wird mit drei Messwerkzeugen<br />

erfasst.<br />

Die Starttestoperation „Bewegungsmelder“ wartet auf<br />

die Nachricht „Bewegung“ vom Kanal „Feldbus“ und die<br />

empfangenden Testoperationen „Einbruch“ und „Lichtanzeige“<br />

warten jeweils auf die Nachrichten „Einbruch“<br />

und „Licht-ein“ von den Kommunikationskanälen<br />

„Backbone“ und „Sicherheitsnetzwerk“. Für den erfolgreichen<br />

Testfall (PASS) soll die Nachricht „Licht-ein“<br />

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

„Bewegung“ erfasst werden. Wird dieser Zeitpunkt<br />

überschritten so ist der Testfall nicht erfolgreich (FAIL).<br />

Bei der Betriebsart „Aktiver Modus“ wird das Testobjekt<br />

über die Kommunikationskanäle mit definierten<br />

Nachrichten stimuliert. Diese Betriebsart ist für die Regressionstests<br />

während der Entwicklung und Integration<br />

geeignet. Beim „Beobachtermodus“ werden die Testfälle<br />

mit zuvor definierten Nachrichten in der Startoperation<br />

ausgelöst. Diese Betriebsart ist besonders für die Fehlerdiagnose<br />

während des Systemeinsatzes zu empfehlen.<br />

Mittels zeitbehafteter Ursache-Wirkungs-Graphen können<br />

die Knoten lokalisiert werden, die an einem Fehlverhalten<br />

beteiligt sind. Dieses Verfahren bezeichnen<br />

wir als Informationsflussverfolgung.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

39


Hauptbeitrag | Automation 2011<br />

2. Beschreibung der Testobjekte<br />

Die Informationsflussverfolgung benutzt für die Testauswertungen<br />

die Systemstruktur-Informationen des Testobjektes,<br />

die aus der Konfiguration der Anlage gewonnen<br />

werden. Die Konfigurationen liegen oft in einem proprietären<br />

Format vor, aus diesem Grund wurde eine einfache<br />

neutrale Beschreibungssprache entwickelt. Diese besteht<br />

aus Modulen und Verbindungen [9][10].<br />

2.1 Beschreibungssprache<br />

Die Knoten werden als Module mit dem Namen, der Adresse<br />

und dem Teilnehmertyp gekennzeichnet. Die Adresse<br />

und der Teilnehmertyp dienen der Identifizierung<br />

des Moduls im Netzwerk und der Auswahl des Subfilters<br />

bei der Protokollanalyse. Jedes Modul kann mit weiteren<br />

Modulen und Verbindungen beschrieben werden.<br />

Die Verbindungen sind mit dem Namen und der Protokollidentifikation<br />

gekennzeichnet. Das Protokoll der<br />

Verbindung dient zur Auswahl des Filterprogramms zur<br />

Protokollanalyse. Zusätzlich kann eine Verbindung die<br />

Beschreibung des angeschlossenen Messwerkzeuges enthalten.<br />

Eine Verbindung enthält die Module, die an ihr<br />

angeschlossen sind (siehe Bild 2).<br />

Die Struktur des Testobjektes wird automatisch aus einer<br />

"proprietären Computer-aided engineering" (CAE)<br />

Beschreibung generiert. Um die Verständlichkeit der Konfiguration<br />

zu erhöhen, können automatisch vergebene<br />

Namen angepasst werden. Das BILD 2 zeigt die Beschreibung<br />

des im BILD 1 dargestellten Ausschnitts des Einbruchmeldesystems.<br />

Die Systemstruktur wird hierarchisch<br />

aufgebaut mit der Verbindung „Backbone“ als<br />

Basis. Das abstrakte Modul „Einbruchmeldesystem“ stellt<br />

das gesamte System dar. Das Feldkoppelmodul ist an dem<br />

internen Bus, am Feldbus sind der Bewegungsmelder, der<br />

Glasbruchmelder und das Ausgangsmodul angeschlossen.<br />

Links im BILD 3 steht die Systemstruktur-Beschreibung<br />

in Form eines Hierarchiebaums. Rechts im Bild werden<br />

die Attribute des Moduls oder der Verbindung angezeigt.<br />

2.2 Komponentenbibliothek<br />

Gebäudesicherheitsanlagen sind durch eine große Anzahl<br />

und Vielfalt von Komponenten gekennzeichnet. So<br />

kann eine Anlage mehrere hundert gleichartige Bewe-<br />

BILD 1:<br />

Exemplarische<br />

Erläuterung der<br />

Testplansprache<br />

Messw erkzeug<br />

Feldbuskoppelmodul<br />

Interner Bus<br />

27<br />

Backbone<br />

07<br />

Netzwerkinterface<br />

Sicherheitsnetzwerk<br />

01<br />

Bewegungsmelder<br />

Messwerkzeug<br />

Eibruchmeldezentrale<br />

Feldbus<br />

01 02<br />

Lichtanzeige<br />

02<br />

Aus gangsmodul<br />

Aktor<br />

Sens oren<br />

03<br />

Glas bruchssensor<br />

Aktoren<br />

Tes tobjekt<br />

Feldbus<br />

Backbone<br />

Testfall »Bew egungsalarm«<br />

S icherheitsnetzwerk<br />

Bewegungsmelder<br />

T1 < 200 ms<br />

Einbruch<br />

T2 < 300 ms<br />

Lichtanzeige<br />

Kanal: Feldbus<br />

Nachricht: Bewegung<br />

Testübergang<br />

(Zeitbedingung)<br />

Kanal: Backbone<br />

Nachricht: Einbruch<br />

Kanal: S icherheits netz..<br />

Nachricht: Licht- ein<br />

Testoperation<br />

BILD 1: Exemplarische Erläuterung der Testplansprache<br />

BILD 2:<br />

Ausschnittsweise<br />

Beschreibung<br />

eines Testobjektes<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

…<br />

<br />

<br />

<br />

40<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


gungsmelder enthalten. Jeden Bewegungsmelder der<br />

Anlage ausführlich zu beschreiben, würde zu einer großen<br />

und unübersichtlichen Konfiguration führen. Außerdem<br />

würde diese dann sehr viele redundante Informationen<br />

enthalten. Um diese Redundanzen zu vermeiden,<br />

wurden allgemeine Eigenschaften eines Moduls<br />

oder einer Verbindung in eine Bibliothek ausgelagert. Die<br />

Bibliothek wird der Übersichtlichkeit halber in mehrere<br />

Gruppen unterteilt (siehe BILD 4).<br />

Die Bibliothek besteht aus den Gruppen „sensors“ und<br />

„connections“. Für die Module vom Typ „Bewegungsmelder_Typ1“<br />

werden Verarbeitungszeiten im Intervall<br />

100 ms bis 300 ms angegeben. Für die Verbindung „Honeywell<br />

Bus 2“ werden die Übertragungsrate, der Protokolltyp<br />

und der Verweis auf das Filterprogramm zur<br />

Protokollanalyse der Nachrichten von dieser Verbindung<br />

spezifiziert. Die Verarbeitungs- und Übertragungszeiten<br />

werden bei den Plausibilitätsprüfungen während der<br />

Testplanung verwendet.<br />

Jede Komponente der Konfiguration bekommt einen<br />

Verweis auf den Eintrag in der Bibliothek, wie zum Beispiel<br />

der Typ des Bewegungsmelders. Das zusätzliche<br />

Attribut „ref“ gibt den Pfad zu den Informationen in der<br />

Bibliothek an. In dem Beispiel handelt es sich um den<br />

Verweis auf die Zusatzinformation zum Bewegungsmelder,<br />

siehe BILD 2.<br />

3. Protokollanalyse mittels Systemstruktur-<br />

Information<br />

3.1 Beschreibung der Nachrichten<br />

Eine manuelle Analyse der erfassten Rohdaten ist<br />

schwierig und zeitaufwendig. Die Struktur der Nachrichten<br />

ist vom Protokoll und den Teilnehmern abhängig.<br />

Mit der Protokollanalyse werden die Rohdaten automatisch<br />

in eine lesbare Form transformiert. Die Transformation<br />

wird mit einer allgemeinen Protokollspezifikationssprache<br />

basierend auf der Metasprache XML beschrieben.<br />

Die Sprache enthält Elemente für Textdarstellung,<br />

bedingte Verarbeitung, komplexe<br />

Fallunterscheidung, Verweise, Schleifen und längenabhängige<br />

Verarbeitungen (siehe Bild 5).<br />

Für jedes Protokoll und jeden Teilnehmer wird ein<br />

Filter in dieser Sprache erstellt, mit dem die Nachrichten<br />

zerlegt werden. Das Subfilter dient der Interpretation der<br />

teilnehmerspezifischen Nutzdaten.<br />

BILD 3:<br />

Konfiguration eines<br />

verteilten Systems<br />

Verbindung<br />

Module<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

…<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

…<br />

<br />

<br />

BILD 4:<br />

Auszug aus der<br />

Komponentenbibliothek<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

41


Hauptbeitrag | Automation 2011<br />

3.2 Analyse der Nachrichten<br />

Änderungen an der Systemstruktur der Anlage, zum<br />

Beispiel durch Hinzufügen eines neuen Teilnehmers,<br />

erfordern Änderungen am Filter, da dieses an die Konfiguration<br />

der Anlage gebunden ist. Die Lösung für<br />

dieses Problem ist eine konfigurationsabhängige Protokollanalyse.<br />

Diese greift auf die Systemstruktur-Beschreibung<br />

der Anlage zu und schafft eine dynamische<br />

Bindung zwischen den Filtern und der Systemstruktur-Beschreibung.<br />

Die empfangenen Nachrichten enthalten Adressen der<br />

kommunizierenden Teilnehmer. Mit Hilfe dieser Adressen<br />

und des Kommunikationskanals wird der Teilnehmer<br />

durch die Systemstruktur-Beschreibung eindeutig<br />

identifiziert. Der Teilnehmertyp dient der Identifikation<br />

des Subfilters [9][10].<br />

BILD 6 zeigt das Ergebnis der Interpretation einer<br />

Nachricht. Als erstes wird der Nachrichtenkopf interpretiert.<br />

Dieser enthält die Adresse des Empfängers, die<br />

mit dem Element „mask“ ermittelt wird. Das Adressabhängigkeitsfilter<br />

hat die Aufgabe, den Teilnehmertyp<br />

aus der Systemstruktur-Beschreibung zu ermitteln und<br />

das zugehörige Subfilter aufzurufen. Die Nutzdaten bestehen<br />

aus der Länge und dem Zustand der Ausgänge<br />

des Teilnehmers. Zum Schluss wird die Checksumme<br />

der Nachricht ausgegeben.<br />

4. Nachrichtengenerierung bei der Testplanung<br />

Nach der Integration der Systemstruktur-Informationen<br />

in die Testauswertung wurde deren Verwendung auch<br />

bei der Testplanung in Betracht gezogen. Eine der Fehlerquellen<br />

bei der Testplanung ist die Spezifikation der<br />

Nachricht in der Testoperation. Ist die angegebene<br />

Nachricht nicht richtig, dann ist auch der Testfall<br />

falsch. Um die richtige Nachricht zu spezifizieren, muss<br />

sich der Tester mit dem Protokoll und der Spezifikation<br />

des Empfängers beziehungsweise des Senders auseinandersetzen.<br />

Zur Unterstützung des Testers bei der Testplanung<br />

wurde ein Nachrichten-Generator konzipiert.<br />

Er basiert auf den bereits für die Protokollanalyse erstellten<br />

Filtern. Die Filter enthalten die Protokollbeschreibung<br />

und auch die Spezifikation der Teilnehmer.<br />

Über den Kommunikationskanal wird das Protokoll<br />

ermittelt. Danach werden alle an einer Verbindung angeschlossenen<br />

Teilnehmer zur Auswahl angeboten.<br />

BILD 5:<br />

Filter und Subfilter<br />

für den Teilnehmer<br />

„Ausgangsmodul“<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

...<br />

<br />

<br />

<br />

BILD 6:<br />

Protokollanalyse<br />

der Nachrichten<br />

42<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


Nach der Auswahl des Empfängers wird das Subfilter<br />

identifiziert. Somit sind die zugehörigen Filter und Subfilter<br />

bekannt. Aus den Filtern wird eine Liste erzeugt,<br />

in der die Struktur der Nachricht beschrieben ist. Die<br />

bekannten Informationen, wie zum Beispiel die Adresse,<br />

werden in die Nachricht eingetragen. Der Benutzer<br />

hat die Möglichkeit, die Nutzdaten aus einer Auswahlliste<br />

festzulegen. Dadurch können Fehleingaben vermieden<br />

werden. Sind im Filter keine Werte spezifiziert,<br />

wird der Benutzer aufgefordert den Wert einzutragen.<br />

BILD 7 zeigt die Eingabemaske für eine Nachricht eines<br />

Ausgangsmoduls. Der Nachrichten-Generator erzeugt<br />

eine Maske, in der der Benutzer den Zustand der Ausgänge<br />

festlegt.<br />

5. Plausibilitätsprüfung der Zeiten<br />

Eine weitere Fehlerquelle während der Testplanung ist<br />

die Vorgabe der Zeitbedingung bei den Testübergängen.<br />

Trägt der Benutzer das falsche Zeitintervall ein, führt dies<br />

zwangsläufig zu einem fehlerhaften Testfall oder einem<br />

sinnlosen Test. Um die Zeitbedingung auf Plausibilität<br />

prüfen zu können, wurden die Verarbeitungszeiten T j der<br />

m Geräte in der Bibliothek abgelegt. Die Übertragungszeiten<br />

von L n Verbindungen T j werden aus der Nachrichten-<br />

= L[bit] und der Übertragungsrate f bit<br />

Tlänge [bit/s] mit<br />

fbit<br />

L<br />

der Formel T = berechnet.<br />

f<br />

bit<br />

m+<br />

n<br />

m+<br />

n<br />

MIN<br />

≤∑ MIN , j;<br />

∑ MAX,<br />

j<br />

≤<br />

MAX<br />

j=<br />

1<br />

j=<br />

1<br />

m+<br />

n<br />

m+<br />

n<br />

∑ , ∑ ,<br />

T T T T<br />

TMIN ≤ TMIN j;<br />

TMAX j<br />

≤TMAX<br />

Die Summe der Übertragungszeiten j=<br />

1<br />

j=<br />

1 der Verbindungen<br />

und der Verarbeitungszeiten der Knoten entlang<br />

eines Kommunikationspfades muss der Zeitbedingung<br />

des Testübergangs T MIN


Hauptbeitrag | Automation 2011<br />

6. Zusammenfassung und Ausblick<br />

Referenzen<br />

Mit Hilfe der beschriebenen Verfahren wird der gesamte<br />

Ablauf des automatisierten Testens von verteilten<br />

Systemen unterstützt. Auf Basis der Systemstruktur-<br />

Beschreibung des zu testenden Objektes können sowohl<br />

die Testplanung als auch die Testauswertung realitätsnah<br />

durchgeführt werden. Mit der konfigurationsabhängigen<br />

Protokollanalyse werden die Messdaten in<br />

einer lesbaren Form präsentiert. Die Plausibilitätsprüfung<br />

eingegebener Zeiten und die Nachrichtengenerierung<br />

für die Testoperationen erhöhen die Testzuverlässigkeit<br />

bei der Testplanung.<br />

Ein weiterer Schwerpunkt unserer Forschung ist die<br />

Entwicklung virtueller Teilnehmer, die sich wie reale verhalten<br />

sollen. Für die Fehleranalyse einer bestimmten,<br />

sich in Betrieb befindenden Anlage muss eine exakte Kopie<br />

der Anlage erstellt werden. Dies ist mit hohen Hardwarekosten<br />

und mit enormem Arbeitsaufwand verbunden.<br />

Mit virtuellen Teilnehmern lässt sich dieser Aufwand<br />

erheblich reduzieren.<br />

Manuskripteingang<br />

12. Mai 2011<br />

Autoren<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

[1] Bender, K.; Pöschl, M.; Danzer, B.; Kausler, B.; Spiegelberger,<br />

B.; Ivanova, N.: TeCom Testfallcompiler für den Funktionstest<br />

eingebetteter Systeme, Forschungsbericht Nr. 24/2006;<br />

Deutsche Forschungsgesellschaft für die Anwendung der<br />

Mikroelektronik e.V. (DFAM)<br />

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

Entwicklung, Springer, Berlin Heidelberg New York, 2005<br />

[3] Methods for Testing and Specification (MTS);<br />

The Testing and Test Control Notation version 3; Part 1:<br />

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

ETSI Standard<br />

[4] DaimlerChrysler: Beschreibung der Testsprache<br />

für HIL-Testsysteme, Version 3.1, 11.05.2004,<br />

firmeninterne Veröffentlichung<br />

[5] Rist, B., Poganatz, D. und Jovalekic, S.: Testautomatisierung<br />

verteilter echtzeitfähiger Systeme basierend auf einer<br />

graphischen Testplanbeschreibung, in Haasis, Heinzl, Klumpp<br />

(Hrsg.), Aktuelle Trends in der Softwareforschung, doIT<br />

Software-Forschungstag 2006, S 241-255, dpunkt.verlag 2006<br />

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

für Anlagendaten Teil 1-2;<br />

<strong>atp</strong> 46 (2004) Heft 2; S. 52-56; Heft 3; S. 20-27<br />

[7] Dietrich, C.; Schmidt, D; Simon, R.; Thron, M;<br />

Wollschlaeger, M.: XML für Wartung und Engineering<br />

Busgekoppelter Komponenten, DFAM Forschungs bericht Nr.<br />

20, 2003<br />

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

Informationsflussverfolgung zur Fehlerdiagnose in verteilten<br />

Echtzeitsystemen, Informatik aktuell, W. A. Halang, P.<br />

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

Fachaus schusses Echtzeitsysteme, Boppard, 19-20.11.2009,<br />

S. 129-138<br />

[9] Noak, E.: CAE unabhängige Systemstruktur<br />

Beschreibung zur Testausführung wertdiskreter verteilter<br />

Echtzeitsysteme, Diplomarbeit WS 2008/2009, Hochschule<br />

Albstadt-Sigmaringen<br />

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

Systems Based on Test Object Structure Information, 25th<br />

Convention of Electrical and Electronics Engineers in Israel,<br />

Anthony J. Weiss (Hrsg.), IEEE 2008, S. 343-347<br />

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

Properties in Distributed Automation Systems during Test<br />

Planning Phase, 3rd IEEE International Workshop on Software<br />

Test Automation, Munich, Germany, July 18, angenommener<br />

Beitrag.<br />

Hochschule Albstadt-Sigmaringen,<br />

Jakobstraße 6, D-72458 Albstadt,<br />

Tel. +49 (0) 7571 732 95 40,<br />

E-Mail: eugen.noak@gmx.de<br />

Hochschule Albstadt-Sigmaringen,<br />

Jakobstraße 6, D-72458 Albstadt,<br />

Tel. +49 (0) 7571 732 91 48,<br />

E-Mail: jovalekic@hs-albsig.de<br />

Dipl.-Ing. (FH) Eugen Noak<br />

(geb. 1982) ist Mitarbeiter im<br />

Institut für Echtzeitsysteme<br />

und Softwaretechnik der<br />

Hochschule Albstadt-Sigmaringen.<br />

Seine Arbeitsschwerpunkte<br />

sind Test und Diagnose<br />

in verteilten Systemen.<br />

Prof. Dr.-Ing. Silvije<br />

Jovalekic (geb. 1948) vertritt<br />

die Fachgebiete Softwaretechnik<br />

und Echtzeitsysteme in<br />

der Fakultät Engineering der<br />

Hochschule Albstadt-Sigmaringen.<br />

Hauptarbeitsfelder:<br />

Test und Diagnose verteilter<br />

Systeme, Vernetzung in<br />

Fahrzeugen.<br />

Dipl.-Ing.(FH) Bernd Rist<br />

(geb. 1969) leitet die Abteilung<br />

R&D / Software bei Honeywell<br />

Security Group in Albstadt.<br />

Hauptarbeitsfelder: Protokolle<br />

und Software zur Vernetzung<br />

von Komponenten in der<br />

Gebäudesicherungstechnik.<br />

Honeywell Security Group,<br />

Johannes-Mauthe-Str. 14, D-72458 Albstadt,<br />

Tel. +49 (0) 7431 801 13 45,<br />

E-Mail: bernd.rist@honeywell.com<br />

44<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


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auf den Hochtemperaturkreisläufen liegt. Zudem werden<br />

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Armaturen in kraftwerksspezifi schen Nebenkreisläufen vorgestellt.<br />

Nach einer<br />

Armaturen<br />

ausführlichen<br />

in kraftwerksspezifi<br />

Einführung<br />

schen<br />

in die<br />

Nebenkreisläufen<br />

Grundbauarten werden<br />

vorgestellt.<br />

Problemlösungen<br />

Nach einer ausführlichen<br />

mit Armaturen<br />

Einführung<br />

in Kraftwerkskreisläufen<br />

in die Grundbauarten<br />

erläutert.<br />

werden<br />

Armaturenantriebe, Problemlösungen Service, mit Armaturen Regelwerksanforderungen in Kraftwerkskreisläufen und weitere erläutert.<br />

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✘ ✘


Hauptbeitrag | Automation 2011<br />

Modellgestützte<br />

Modernisierungsplanung<br />

Ist-Zustand mit CAEX abbilden<br />

Mit dem wachsenden Markt für die Modernisierung automatisierter industrieller Produktionsanlagen<br />

gewinnen die Abwicklung von Modernisierungsprojekten und die Optimierung<br />

der Abläufe im Anlagen-Reengineering zunehmend an Bedeutung. Aufbauend auf<br />

einer funktionalen Anlagenbeschreibung wird in diesem Beitrag gezeigt, wie sich der Ist-<br />

Zustand einer zu modernisierenden Anlage mit Hilfe von CAEX formalisiert abbilden lässt.<br />

Gleichzeitig wird beschrieben, welche Möglichkeiten sich daraus für eine frühzeitige Softwareunterstützung<br />

in der Angebotsphase von Modernisierungsprojekten ergeben.<br />

SCHLAGWÖRTER Modernisierungsplanung / funktionale Anlagenbeschreibung /<br />

Modellierung / CAEX<br />

Model-driven plant modernization<br />

As the market for the modernization of automated industrial production plants is growing,<br />

the management of modernization projects and thus the optimization of plant reengineering<br />

processes have become increasingly important. Based on a functional description of<br />

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

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

early software support during the tendering phase of modernization projects.<br />

KEYWORDS Modernization / Functional Plant Description / Modeling / CAEX<br />

46<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


Martin Strube, Alexander Fay, Helmut-Schmidt-Universität, Hamburg<br />

Sébastien Truchat, Helmut Figalist, Siemens AG, Erlangen<br />

Der Zeit- und Kostendruck im internationalen<br />

Wettbewerb erfordert vermehrt die Verkürzung<br />

der Abwicklungszeiten und Reduzierung der<br />

Projektkosten im Anlagenbau. Dadurch gewinnt<br />

eine effiziente und durchgängige Anlagenplanung<br />

zunehmend an Bedeutung [1]. Insbesondere<br />

der Entwurfprozess komplexer Automatisierungssysteme<br />

bietet erhebliches Optimierungspotenzial, da dieser<br />

durch eine Vielzahl von Abhängigkeiten zu den Engineering-Ergebnissen<br />

und damit auch Planungsdaten<br />

verschiedener am Projekt beteiligter Gewerke geprägt ist.<br />

Dabei sind „modellbasierte Ansätze ein wesentlicher<br />

Hebel zur Integration und Optimierung der Engineering-<br />

Prozesse im industriellen Anlagenbau.“ [2]<br />

Die Ergebnisse einer quantitativen Literaturstudie haben<br />

gezeigt, dass ein Großteil der Forschungsaktivitäten in<br />

diesem Kontext auf die frühen Phasen im Anlagenlebenszyklus<br />

fokussiert – im Gegensatz dazu findet zum Beispiel<br />

die Anlagenmodernisierung kaum Beachtung [3]. Diese<br />

Entwicklung steht in starkem Kontrast zur rückläufigen<br />

Entwicklung des Marktes für den Neubau automatisierter<br />

industrieller Produktionsanlagen in Nordamerika und<br />

Mitteleuropa und dem wachsenden Markt für die Modernisierung<br />

bestehender Anlagen in diesen Regionen [4]. Um<br />

der zunehmenden Bedeutung von Modernisierungsprojekten<br />

automatisierter industrieller Produktionsanlagen<br />

gerecht zu werden, gilt es, Methoden, Modelle und Werkzeuge<br />

zu entwickeln, die den speziellen Herausforderungen<br />

dieser Modernisierungsprojekte gewachsen sind und<br />

eine durchgängige Modellunterstützung ermöglichen.<br />

1. Besonderheiten von<br />

Modernisierungsprojekten<br />

Modernisierungsprojekte für automatisierte industrielle<br />

Produktionsanlagen unterscheiden sich in zwei wesentlichen<br />

Aspekten von den Greenfield-Projekten. Zum einen<br />

müssen die Planungsingenieure bereits in der Angebotsphase<br />

eines Modernisierungsprojektes prognostizieren,<br />

welche Auswirkungen die einzelnen Veränderungen an<br />

der bestehenden Automatisierungslösung auf die Gesamtfunktionalität<br />

der Anlage haben – was eine Aufnahme<br />

des Ist-Zustandes der zu modernisierenden Anlage voraussetzt.<br />

Zum anderen werden die Planungsingenieure<br />

bei der Aufnahme des Ist-Zustandes der zu modernisierenden<br />

Anlage mit einer Vielzahl heterogener, über Jahre<br />

hinweg gewachsener Planungsdokumente konfrontiert.<br />

1.1 Heutige Vorgehensweise<br />

Die Herangehensweise ist dadurch gekennzeichnet, dass<br />

erfahrene Planungsingenieure eine Vielzahl heterogener<br />

Planungsdokumente auswerten, um daraus eine strukturierte<br />

Anlagenübersicht zu erstellen. Die Ergebnisse werden<br />

in der Regel mit Hilfe von Office-Werkzeugen, wie<br />

zum Beispiel Microsoft Excel, Microsoft Visio und ähnlichem<br />

erfasst. Auf dieser Grundlage wird ein Angebot<br />

für die Realisierung des Modernisierungsvorhabens erstellt.<br />

Werden bei dieser Aufwandsabschätzung funktionale<br />

Abhängigkeiten übersehen, können die daraus resultierenden<br />

Folgekosten eines einzelnen Projektes die Gewinne<br />

mehrerer erfolgreicher Modernisierungsprojekte<br />

egalisieren. Je komplexer das zu modernisierende Automatisierungssystem<br />

ist, desto wahrscheinlicher ist das<br />

Auftreten von Fehlern bei dieser Vorgehensweise.<br />

Wenn ein Angebot angenommen wird, werden die Erkenntnisse<br />

über den Ist-Zustand der Anlage und über die<br />

angestrebte Automatisierungslösung manuell in die für<br />

das Engineering von Neuanlangen-Projekten ausgelegte<br />

Werkzeuglandschaft übertragen.<br />

2. Durchgängige Modellunterstützung<br />

Sowohl Greenfield-Projekte als auch Anlagenmodernisierungsprojekte<br />

lassen sich in die in Bild 1 dargestellten<br />

Projektphasen strukturieren, wobei sich beide Projektarten<br />

in der Akquisitionsphase wesentlich unterscheiden.<br />

Für die Phasen Planung, Realisierung und Inbetriebnahme<br />

gibt es meist klar definierte Werkzeuge, Model-<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

47


Hauptbeitrag | Automation 2011<br />

BILD 1: Projektbezogene<br />

Phasen [5]<br />

BILD 2: Modell<br />

der funktionalen<br />

Anlagenbeschreibung<br />

[8]<br />

le und Sichten, die in einem unternehmensspezifischen<br />

Vorgehensmodell strukturiert sind. Im Gegensatz dazu<br />

ist das Vorgehen in der Akquisitions- beziehungsweise<br />

Angebotsphase von Modernisierungsprojekten oft wenig<br />

strukturiert.<br />

Die Angebotsleiter sammeln und strukturieren in der<br />

Angebotsphase Informationen, um das Angebot daraus<br />

abzuleiten. Die dabei entstandene Dokumentation ist<br />

sozusagen das erste Modell der Anlage. Es wird im Folgenden<br />

Anlagengrobmodell genannt. Wird ein Angebot<br />

angenommen, beginnen die Ingenieure der Planungsphase<br />

ihrerseits damit, die für das Modernisieren der Automatisierungslösung<br />

benötigten Informationen zu sammeln<br />

und strukturieren, um sie in den verfügbaren CAE-<br />

Werkzeugen abzubilden. Auch dabei entsteht ein Modell<br />

der Anlage, welches im Folgenden als Engineering-Modell<br />

bezeichnet wird.<br />

Zwischen dem Anlagengrobmodell und dem Engineering-Modell<br />

besteht naturgemäß eine große inhaltliche<br />

Überlappung. Allerdings werden die Informationen<br />

im Engineering-Modell anders strukturiert und<br />

dargestellt, das heißt die Informationen aus dem Anlagengrobmodell<br />

können nicht 1:1 übernommen werden.<br />

Die fehlende Möglichkeit, Engineering-Daten<br />

werkzeugneutral, Workflow-begleitend und gewerkeübergreifend<br />

auszutauschen, führt dazu, dass Engineering-Daten<br />

mehrfach manuell konvertiert, übertragen<br />

und bearbeitet werden, was zu einem Mehraufwand<br />

und Zeit- und Qualitätsverlust führt [6].<br />

Um einerseits die Möglichkeiten für eine frühzeitige<br />

Werkzeugunterstützung in der Angebotsphase zu schaffen<br />

und andererseits den Übergang von der Angebotsphase<br />

in die Engineeringphase zu optimieren, gilt es, ein<br />

Modellierungskonzept für die Anlagengrobmodellierung<br />

in der Angebotsphase zu definieren und ein für den Datenaustausch<br />

mit den CAE-Werkzeugen der Engineeringphase<br />

geeignetes Beschreibungsmittel zu wählen. Ein<br />

modellbasierter Ansatz ermöglicht dabei:<br />

den Anlagen-Ist-Zustand in der Angebotsphase in<br />

Form eines formalisierten Anlagengrobmodells zu<br />

erfassen.<br />

das Risiko in der Angebotsphase mit Hilfe einer<br />

Werkzeug-Unterstützung zu minimieren.<br />

48<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


die Ergebnisse aus der Angebotsphase semi-automatisch<br />

in die Werkzeuge der Engineering-Phase zu<br />

übertragen.<br />

3. Funktionale Anlagenbeschreibung<br />

Da der technologische Prozess durch das Zusammenwirken<br />

von technologischen Ressourcen, Automatisierungsgeräten<br />

und Steuerungssoftware realisiert wird, erfordert<br />

das Re-Engineering komplexer Automatisierungssysteme<br />

eine ganzheitliche Betrachtung der Anlage. Anhand einer<br />

gewerkeübergreifend strukturierten Anlagenarchitektur<br />

können Fehler frühzeitig erkannt und Auswirkungen von<br />

Änderungen auf andere Gewerke sofort nachvollzogen<br />

werden, wodurch sich Folgekosten reduzieren lassen [7].<br />

Das in [8] vorgestellte Konzept der funktionalen Anlagenbeschreibung<br />

beschreibt eine Methodik, die das systematische<br />

Überführen der Informationen aus den heterogenen<br />

Planungsdokumenten in eine funktionale Anlagenbeschreibung<br />

ermöglicht. Weiterhin definiert es ein geeignetes<br />

Beschreibungsmodell für die Modellierung der<br />

funktionalen Zusammenhänge zwischen Prozess, technologischen<br />

Ressourcen, Automatisierungshardware und<br />

Steuerungssoftware. Dieses Beschreibungsmodell entspricht<br />

dem in Abschnitt 2 geforderten Modellierungskonzept<br />

und bildet einen Grundbaustein für das Konzept<br />

zur durchgängigen Modellunterstützung bei der Modernisierung<br />

komplexer Automatisierungssysteme.<br />

Das Beschreibungsmodell der funktionalen Anlagenbeschreibung<br />

sieht eine vierstufige Grobmodellierung der<br />

zu modernisierenden Anlage vor. Die erste Stufe beschreibt<br />

den technologischen Prozess in Anlehnung an<br />

die formalisierte Prozessbeschreibung [9], die zweite Stufe<br />

das Anlagenlayout (die technologischen Ressourcen),<br />

die dritte Stufe die Automatisierungsfunktionen (die Steuerungssoftware)<br />

und die vierte Stufe die Automatisierungsgeräte.<br />

Die einzelnen Elemente jeder Stufe werden<br />

mit Hilfe von Attributen und Schnittstellen spezifiziert,<br />

wobei auch den Schnittstellen Attribute zugeordnet werden<br />

können. Die funktionalen Zusammenhänge zwischen<br />

diesen Elementen werden durch die stufenübergreifende<br />

Verknüpfung ihrer Schnittstellen abgebildet. Dabei werden<br />

zwei Arten von Verknüpfungen unterschieden, zum<br />

einen die Kommunikationsbeziehungen und zum anderen<br />

die Wirkbeziehungen. Kommunikationsbeziehungen<br />

bestehen zwischen Schnittstellen, die Informationen miteinander<br />

austauschen, wie zum Beispiel dem digitalen<br />

Ausgang eines Sensors und dem zugehörigen digitalen<br />

Eingang einer Speicherprogrammierbaren Steuerung<br />

(SPS). Eine Wirkbeziehung besteht zum Beispiel zwischen<br />

einer Automatisierungsfunktion und der SPS, auf der diese<br />

Automatisierungsfunktion läuft, da sich die Leistungsfähigkeit<br />

der SPS auf die Performance der Automatisierungsfunktion<br />

auswirkt. Bild 2 verdeutlicht das Modell<br />

der funktionalen Anlagenbeschreibung.<br />

Detaillierte Informationen zur funktionalen Anlagenbeschreibung<br />

als Basis der Modernisierungsplanung<br />

können [8] entnommen werden.<br />

4. CAEX-basierte Aufnahme des<br />

Anlagen-Ist-Zustandes<br />

Bei den heute eingesetzten Office-Werkzeugen zur Aufnahme<br />

des Anlagen-Ist-Zustandes sind die Planungsingenieure<br />

an keine feste Syntax und Semantik gebunden.<br />

Diese Art der Beschreibung des Anlagen-Ist-Zustandes<br />

erschwert nicht nur die Softwareunterstützung in der<br />

Angebotsphase, sondern behindert auch die automatisierte<br />

Weiterverarbeitung der Ergebnisse aus der Angebotsphase<br />

in den darauffolgenden Projektphasen. Diese beiden<br />

Nachteile sollten durch die Wahl eines geeigneten Beschreibungsmittels<br />

für die funktionale Anlagenbeschreibung<br />

beseitigt werden. Des Weiteren führt die wachsende<br />

Vielfalt phasenspezifischer Werkzeuge und die damit verbundene<br />

Zunahme möglicher Schnittstellenkombinationen<br />

zur Notwendigkeit der Standardisierung von Datenformaten<br />

[10]. Daher sollte das Beschreibungsmittel für<br />

die funktionale Anlagenbeschreibung auch diesem Aspekt<br />

gerecht werden. Um optimale Voraussetzungen für<br />

die Softwareunterstützung in der Angebotsphase zu<br />

schaffen, muss das Beschreibungsmittel zusätzlich die<br />

computergestützte Interpretierbarkeit der Objekte und<br />

Strukturen des Anlagenmodells gewährleisten.<br />

Die zuvor geschilderten Anforderungen erfüllt das Beschreibungsmittel<br />

Computer Aided Engineering Exchange<br />

(CAEX), welches sich bereits in verschiedenen<br />

Domänen der Automatisierungstechnik, wie zum Beispiel<br />

der Prozess-, Fertigungs- und Gebäudeautomatisierung<br />

[11], [12] bewährt hat. Detaillierte Informationen zu<br />

CAEX können [13] entnommen werden.<br />

4.1 Abbilden der funktionalen<br />

Anlagenbeschreibung auf CAEX<br />

Jedes Element der funktionalen Anlagenbeschreibung<br />

wird in CAEX durch ein Internal Element repräsentiert.<br />

Diesem Internal Element können sowohl Schnittstellen<br />

und Attribute als auch Rollen-Klassen zugewiesen werden.<br />

Da jedem Internal Element wiederum Internal Elements<br />

als Kind-Elemente zugeordnet werden können,<br />

besteht die Möglichkeit der Dekomposition. Dadurch<br />

kann die Granulierung des Anlagengrobmodells im fortschreitenden<br />

Projektverlauf beliebig verfeinert werden.<br />

Bild 3 veranschaulicht die Möglichkeit der Dekomposition<br />

am Beispiel des CAEX-Modells eines Walzgerüstes,<br />

welches mit Hilfe der Software AutomationML Editor<br />

[14] erstellt wurde.<br />

Die Wirk- und Kommunikationsbeziehungen zwischen<br />

den Elementen der funktionalen Anlagenbeschreibung<br />

bildet CAEX in Form von Internal Links zwischen den<br />

Interfaces der zugehörigen Internal Elements ab. Da<br />

CAEX das Konzept der Bibliotheken unterstützt, besteht<br />

bei der Aufnahme des Anlagen-Ist-Zustandes die Möglichkeit,<br />

Werkzeuge zu nutzen, die eine effiziente Modellierung<br />

per drag and drop unterstützen. Bild 4 zeigt<br />

exemplarisch für die Modellierung von CAEX-Bibliotheken<br />

eine Schnittstellenbibliothek, die mit Hilfe des Au-<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

49


Hauptbeitrag | Automation 2011<br />

tomationML Editors erstellt wurde. In der unteren rechten<br />

Ecke von Bild 4 sind die Attribute dargestellt, die der<br />

Schnittstellen-Klasse OPC-Tag zugeordnet wurden.<br />

5. Softwareunterstützung in<br />

der Angebotsphase<br />

BILD 3: CAEX-Modell eines Walzgerüstes<br />

BILD 4: CAEX-Schnittstellenbibliothek<br />

Erfolgt die Aufnahme des Anlagen-Ist-Zustandes CAEXbasiert<br />

auf der Grundlage des in Abschnitt 3 vorgestellten<br />

Modellierungskonzeptes, so ergibt sich daraus ein computerinterpretierbares<br />

Anlagengrobmodell, welches zahlreiche<br />

Ansatzpunkte für eine frühzeitige Softwareunterstützung<br />

bietet. Das daraus resultierende Optimierungspotenzial<br />

wurde im Rahmen einer Fallstudie zur Risikominimierung<br />

bei der Modernisierungsplanung für die<br />

Automatisierungslösung von Warmbandwalzwerken untersucht.<br />

Dabei wurden zwei typische Fehlerquellen betrachtet.<br />

Zum einen sollten Inkonsistenzen und Lücken<br />

im aufgenommenen Anlagengrobmodell softwaregestützt<br />

identifiziert werden, um eine fundierte Grundlage für die<br />

Modernisierungsplanung zu schaffen. Zum anderen sollte<br />

das Fehlerpotenzial bei der Aufwandsabschätzung der<br />

notwendigen Soft- und Hardwareanpassungen durch eine<br />

modellgestützte Auswertung der Auswirkungen von Veränderungen<br />

der bestehenden Automatisierungslösung<br />

minimiert werden.<br />

Im ersten Schritt der Fallstudie erfolgte die Grobmodellierung<br />

der Fertigstraße eines Warmbandwalzwerkes<br />

mit Hilfe des zuvor beschriebenen Ansatzes.<br />

Im nächsten Schritt wurde ein Softwareprototyp zur<br />

Analyse dieses CAEX-basierten Anlagenmodells entwickelt.<br />

Als wesentliches Kernelement der softwaretechnischen<br />

Realisierung fand dabei die Language Integrated<br />

Query (LINQ) Architektur Anwendung. Als Bestandteil<br />

des Microsoft .NET Framework ist LINQ eine Abfragesprache<br />

für verschiedene Datenquellen, wie Datenbanken,<br />

XML-Dokumente und Excel-Dateien, die ein effizientes<br />

Handling XML-basierter Datenaustauschformate ermöglicht<br />

[15]. Mit Hilfe dieser Technologie wurden regelbasierte<br />

Abfragen zur Konsistenzprüfung im Anlagengrobmodell<br />

implementiert. Die folgenden zwei Regeln verdeutlichen<br />

diesen Ansatz:<br />

Wenn eine Kommunikationsbeziehung zwischen zwei<br />

Schnittstellen vom Typ Bus Interface besteht,<br />

dann müssen deren Attribute Bus Protokoll identische<br />

Werte besitzen.<br />

Wenn zwischen zwei Automatisierungsfunktionen,<br />

die nicht auf der gleichen SPS laufen, eine Wirkbeziehung<br />

besteht,<br />

dann muss auch zwischen den zugehörigen SPS eine<br />

Kommunikationsbeziehung bestehen.<br />

BILD 5: Softwaregestütztes Aufstellen der<br />

Mengengerüste<br />

Die erste Regel dient der Identifikation einer inkonsistenten<br />

Kommunikationsbeziehung und die zweite Regel der<br />

Identifikation einer logischen Inkonsistenz. Zur Identifikation<br />

von Lücken im Anlagengrobmodell wurden Abfragen<br />

implementiert, die ungenutzte Schnittstellen und<br />

nicht befüllte Schlüsselattribute herausfiltern. Durch die<br />

softwaretechnische Umsetzung dieses Konzeptes konnte<br />

die Grundlage für ein automatisiertes Identifizieren von<br />

50<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


Lücken und Inkonsistenzen im aufgenommenen Anlagen-<br />

Ist-Zustand geschaffen werden.<br />

Basierend auf der gleichen Technologie wurde der Softwareprototyp<br />

im dritten Teil der Fallstudie dahingehend<br />

erweitert, dass eine quantitative Darstellung der Auswirkungen<br />

von Veränderungen an der Automatisierungslösung<br />

im Anlagengrobmodell möglich ist. Die dazu realisierte<br />

Umsetzung basiert auf einem vergleichenden Ansatz,<br />

bei dem der aufgenommene Anlagen-Ist-Zustand mit<br />

einem Anlagenmodell verglichen wird, in dem die zu<br />

modernisierenden Elemente der Automatisierungslösung<br />

entfernt wurden. Dieser Ansatz ermöglicht es, die Auswirkungen<br />

verschiedener Modernisierungsstrategien miteinander<br />

zu vergleichen. Sobald die im Rahmen der Modernisierungsmaßnahme<br />

zu ersetzenden Komponenten<br />

aus dem Anlagengrobmodell entfernt werden, ändert sich<br />

nicht nur die Anzahl der Elemente im Anlagenmodell,<br />

wie Schnittstellen, Sensoren und Steuerschränke, sondern<br />

es werden auch bestehende Wirk- und Kommunikationsbeziehungen<br />

unterbrochen. Durch den Vergleich der<br />

Mengengerüste des ursprünglich aufgenommenen Anlagen-Ist-Zustandes<br />

und des geänderten Anlagenmodells<br />

werden die (quantitativen) Auswirkungen der geplanten<br />

Veränderungen deutlich (siehe Bild 5).<br />

Der in Bild 5 dargestellte Screenshot zeigt die mit Hilfe<br />

des Softwareprototypen generierte Gegenüberstellung<br />

der Mengengerüste zweier verschiedener Anlagenmodelle.<br />

Dabei ist in der linken Hälfte das Mengengerüst des<br />

ursprünglichen Anlagen-Ist-Zustandes abgebildet und<br />

in der rechten Hälfte das des veränderten Anlagenmodells.<br />

Die Gegenüberstellung der Mengengerüste untergliedert<br />

sich in einen Überblick zur Automatisierungshardware<br />

und einen Überblick zur Anzahl der Schnittstellen<br />

und Verknüpfungen im Anlagenmodell. Die im<br />

oberen Bereich platzierte Auflistung der Automatisierungshardware<br />

verdeutlicht in vergleichender Betrachtung,<br />

wie viele automatisierungstechnische Ressourcen<br />

von der Modernisierungsmaßnahme betroffen sind. Bei<br />

vergleichender Betrachtung der in Bild 5 gegenübergestellten<br />

Auflistungen der Automatisierungshardware<br />

fällt auf, dass sich die Anzahl der SPS von sieben auf<br />

sechs und die Anzahl der Sensoren von drei auf zwei<br />

reduziert hat.<br />

Ein Vergleich der im unteren Bereich von Bild 5 dargestellten<br />

Auflistungen zeigt, wie sich diese Änderung<br />

auf die Anzahl der Schnittstellen und Verknüpfungen<br />

im Anlagenmodell auswirkt. Dazu wird die Summe der<br />

Schnittstellen im Anlagenmodell aufgelistet und in die<br />

Referenzen<br />

[1] Siemens AG – Industry Automation: White Paper: Effizienzsteigerung<br />

im Anlagen-Engineering, Karlsruhe, 2010.<br />

Verfügbar unter: http://www.automation.siemens.com/w2/<br />

efiles/pcs7/support/marktstudien/Whitepaper_Anlagenengineering_v5.pdf",<br />

letzter Abruf am 25.02.2011<br />

[2] T. Wagner, U. Löwen: Modellierung: Grundlage für<br />

integriertes Engineering, Tagungsband „Automation 2010“,<br />

Baden-Baden, 2010<br />

[3] M. Amberg, T. Holm, B. Bartosch, T. Tetzner: Benefits of<br />

Mechatronic Modelling assocciated with Plant Lifecyle<br />

Phases: - A Literature Pre-Study, Proceedings of the 12th<br />

International Business Information Management Conference<br />

(IBIMA2009), Kuala Lumpur, Malaysia, 2009<br />

[4] U. Löwen, R. Achatz: Industrieautomation, Buchbeitrag in<br />

„Liggesmeyer, P., Rombach, D.: Software Engineering<br />

eingebetteter Systeme – Grundlagen - Methodik - Anwendungen,<br />

Spektrum Akademischer Verlag, 2005.<br />

[5] Verein Deutscher Ingenieure – Verband der Elektrotechnik,<br />

Elektronik und Informationstechnik: Richtlinie VDI/VDE<br />

3695 Blatt 1: Engineering von Anlagen – Evaluieren und<br />

Optimieren des Engineerings – Grundlagen und Vorgehensweisen,<br />

Beuth Verlag Berlin, 2010<br />

[6] K. Güttel, A. Fay: Beschreibung von fertigungstechnischen<br />

Anlagen mittels CAEX, Automatisierungstechnische Praxis<br />

(<strong>atp</strong>), Heft 5/2008, Oldenbourg-Industrieverlag<br />

[7] Verein Deutscher Ingenieure – Verband der Elektrotechnik,<br />

Elektronik und Informationstechnik: Richtlinie VDI/VDE<br />

3695 Blatt 3: Engineering von Anlagen – Evaluieren und<br />

Optimieren des Engineerings – Themenfeld Methoden,<br />

Beuth Verlag Berlin, 2010<br />

[8] M. Strube, A. Fay, S. Truchat, H. Figalist: Funktionale<br />

Anlagenbeschreibung als Basis der Modernisierungsplanung,<br />

Tagungsband „Automation 2010“, Baden-Baden, 2010<br />

[9] Verein Deutscher Ingenieure – Verband der Elektrotechnik,<br />

Elektronik und Informationstechnik: Richtlinie VDI/VDE<br />

3682: Formalisierte Prozessbeschreibung, Beuth Verlag<br />

Berlin, 2005<br />

[10] R. Drath: Die Zukunft des Engineering – Herausforderungen<br />

an das Engineering von fertigungs- und verfahrenstechnischen<br />

Anlagen, Tagungsband Karlsruher Leittechnisches<br />

Kolloquium (KLK), Karlsruhe, 2010<br />

[11] M. Ebel, R. Drath, O. Sauer: Automatische Projektierung<br />

eines Produktionsleitsystems der Fertigungstechnik mit<br />

Hilfe des Datenaustauschformates CAEX, Automatisierungstechnische<br />

Praxis (<strong>atp</strong>) 5/2008<br />

[12] T. Schmidberger, A. Fay, R. Drath: Automatische Erstellung<br />

von Verriegelungssteuerungen auf der Basis von Anlagenstruktur-Informationen,<br />

GMA-Kongress 2005, Baden-<br />

Baden, 2005<br />

[13] DIN EN 62424: Darstellung von Aufgaben der Prozessleittechnik<br />

– Fließbilder und Datenaustausch zwischen<br />

EDV-Werkzeugen zur Fließbilderstellung und CAE-Systemen<br />

(IEC 62424:2008); Deutsche Fassung EN 62424:2009,<br />

Beuth Verlag, Berlin, 2010<br />

[14] The AutomationML association, www.automationml.org,<br />

letzter Abruf am 25.03.2011<br />

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

engineering projects by means of language integrated<br />

queries: Engineers LINQ to XML. Tagungsband "IEEE IECON<br />

2010”, Glendale, Arizona, USA, 2010<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

51


Hauptbeitrag | Automation 2011<br />

Autoren<br />

Dipl.-Ing. Martin Strube (geb. 1981) ist als Rüstungsoffizier<br />

im Logistikamt der Bundeswehr tätig und<br />

beschäftigt sich seit 2008 im Rahmen seiner berufsbegleitenden<br />

Promotion mit der funktionalen Beschreibung<br />

von Produktionsanlagen.<br />

Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr<br />

Hamburg, Institut für Automatisierungstechnik,<br />

Holstenhofweg 85, D-22043 Hamburg,<br />

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

Prof. Dr.-Ing. Alexander Fay (geb. 1970) leitet das<br />

Institut für Automatisierungstechnik der Helmut-<br />

Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr<br />

Hamburg.<br />

Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr<br />

Hamburg, Institut für Automatisierungstechnik,<br />

Holstenhofweg 85, D-22043 Hamburg,<br />

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

Dr.-Ing. Sébastien Truchat (geb. 1973) ist Consultant<br />

für Systems Engineering bei der Siemens AG, Corporate<br />

Research and Technologies, Technical Consulting, CT T<br />

DE TC4. Tätigkeitsschwerpunkte: Mitarbeit in und<br />

Projektleitung von Consulting Projekten zur Modellierung<br />

und Automatisierung industrieller Anlagen.<br />

Siemens AG, Corporate Technology,<br />

San-Carlos-Str. 7, D-91058 Erlangen,<br />

Tel. +49 (0) 9131 7316 96,<br />

E-Mail: sebastien.truchat@siemens.com<br />

Dr. rer. nat. Helmut Figalist (geb. 1959) war jahrelang<br />

als Projekteur und Projektleiter in verschiedenen<br />

industriellen Branchen tätig. Sein besonderes Interesse<br />

galt stets der Verbesserung des Engineeringsprozesses.<br />

Neben dem Engineering von Prozessleitsystemen<br />

beschäftigte er sich vor allem mit der Zusammenarbeit<br />

der Gewerke im Anlagenengineering. Weitere Tätigkeitsschwerpunkte<br />

waren die Standardisierung von Automationslösungen<br />

und Plattformen insbesondere auch die<br />

branchenubergreifende Benutzung von Lösungskernen.<br />

Heute ist er als Principal Automation bei Siemens Metals<br />

Technology verantwortlich für die Entwicklung im<br />

Bereich Automation.<br />

Anzahl der Wirk- beziehungsweise Kommunikationsschnittstellen<br />

untergliedert. Die Veränderung der Anzahl<br />

unterbrochener Wirk- und Kommunikationsbeziehungen<br />

wird durch die Differenz inkonsistenter Links<br />

deutlich. Die Auflistung der inkonsistenten Links wird<br />

ergänzt um die Information, wie viele dieser Verknüpfungen<br />

sich in der „Grenzschicht“ des Anlagenmodells<br />

befinden. In der „Grenzschicht“ liegen alle funktionalen<br />

Verknüpfungen, von denen nur ein Verknüpfungspartner<br />

bei der Modernisierungsplanung ersetzt wird.<br />

Diese Information ist für die Planungsingenieure von<br />

besonderer Bedeutung, da sie veranschaulicht, wie viele<br />

der verbleibenden Komponenten direkt von der Modernisierungsmaßnahme<br />

betroffen sind, wodurch sie<br />

ein wesentliches Indiz für den zu erwartenden Integrationsaufwand<br />

darstellt.<br />

Durch die softwaretechnische Gegenüberstellung der<br />

Mengengerüste verschiedener Anlagenmodelle entsteht<br />

für die Planungsingenieure die Möglichkeit, die Auswirkungen<br />

von Veränderungen der bestehenden Automatisierungslösung<br />

zu simulieren und auch unterschiedliche<br />

Modernisierungsszenarien miteinander zu<br />

vergleichen.<br />

Neben der in Bild 5 dargestellten Grobübersicht der<br />

Mengengerüste bietet der Softwareprototyp auch ein Fehlerprotokoll,<br />

dem die detaillierten Analyseergebnisse zu<br />

entnehmen sind und eine Editor-Funktionalität, um erkannte<br />

Inkonsistenzen oder Lücken zu bearbeiten.<br />

Zusammenfassung und Ausblick<br />

Basierend auf einem Konzept für die funktionale Beschreibung<br />

automatisierter industrieller Produktionsanlagen<br />

wurde gezeigt, wie sich der Ist-Zustand einer zu<br />

modernisierenden Anlage mit Hilfe von CAEX modellieren<br />

lässt. Auf dieser Grundlage wurde eine Fallstudie<br />

durchgeführt. Die im Rahmen dieser Fallstudie erzielten<br />

Ergebnisse konnten das Potenzial einer frühzeitigen Modellunterstützung<br />

zur Risikominimierung in der Angebotsphase<br />

von Modernisierungsprojekten für Automatisierungslösungen<br />

verdeutlichen.<br />

Manuskripteingang<br />

00.00.2010<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

Siemens AG, I IS MT PEP PA,<br />

Schuhstraße 60, D-91052 Erlangen,<br />

Tel. +49 (0) 9131 74 29 12 ,<br />

E-Mail: helmut.figalist@siemens.com.<br />

52<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


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einfache Schnittstellen<br />

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nach Qualifikation, verschiedene Einstiegs-Levels (Einsteiger,<br />

Fortgeschrittene, Experten) gibt.<br />

Das umfassende Kompendium beschreibt die neue, herstellerunabhängige<br />

IO-Link-Schnittstelle. Diese kann über Sensoren und Aktuatoren<br />

auf einfache Weise Daten mit der überlagerten Steuerung austauschen.<br />

Anstatt vieler proprietärer Systeme muss der Anwender in<br />

Zukunft also nur noch ein System kennen. Parametrierungen können<br />

automatisch in die Geräte geladen und umgekehrt Diagnose- und<br />

Wartungsinformationen an die Leitwarte gemeldet werden. Was sich<br />

zunächst komplex anhört, funktioniert mit IO-Link ganz einfach.<br />

Ergänzend zu den detaillierten, theoretischen Beschreibung und ihrer<br />

Vorteile finden Ingenieure und Praktiker aus dem Maschinen- und<br />

Anlagenbau, Betreiber, Instandhalter, Planer und Systemintegratoren<br />

auch vertiefende Übungen und praktische Beispiele.<br />

Autoren: P. Wienzek, J. R. Uffelmann<br />

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mit einer Gutschrift von € 3,- auf die erste Rechnung belohnt.<br />

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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<br />

<strong>Mensch</strong>-<strong>Roboter</strong>-<br />

<strong>Kooperation</strong><br />

Humansicherheit im robotergestützten Assistenzsystem<br />

Die Entwicklung eines Mehrroboter-Assistenzsystems zur Reduzierung arbeitsintensiver<br />

manueller Handhabungsaufgaben von schweren und sperrigen Schweißbaugruppen beschreibt<br />

dieser Beitrag. Im Mittelpunkt stehen die sichere und ergonomische <strong>Mensch</strong>-<strong>Roboter</strong>-<strong>Kooperation</strong><br />

im gemeinsamen Arbeitsraum und die technischen Möglichkeiten zur<br />

Gewährleistung der Arbeitssicherheit. Die vorgestellten Forschungsarbeiten sind Teil des<br />

Projektes „rorarob“ und werden an einem Demonstrator an der TU Dortmund validiert.<br />

SCHLAGWÖRTER <strong>Mensch</strong>-<strong>Roboter</strong>-<strong>Kooperation</strong> / robotergestütztes Assistenzsystem /<br />

Sicherheitstechnik / Ergonomie<br />

Human-Robot-Interaction –<br />

Human Safety in a robot-based assistance system<br />

The paper discusses the development of a multi-robot assistance system to reduce labourintensive<br />

manual handling of heavy parts in welding processes. It focuses on a safe and<br />

ergonomic human-robot-interaction with overlapping workspaces and discusses technical<br />

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

by a demonstrator at TU Dortmund University. The paper will be presented at VDI Kongress<br />

Automation 2011 and printed in the proceedings.<br />

KEYWORDS Human-Robot-Interaction / robot-based assistance system /<br />

safety technology / ergonomics<br />

54<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


Dipl.-Ing. Carsten Thomas, Prof. Dr.-Ing. Bernd Kuhlenkötter,<br />

Dipl.-Ing. Felix Busch, Prof. Dr.-Ing. Jochen Deuse, TU Dortmund<br />

Schweißen stellt im Maschinen- und Anlagenbau<br />

aufgrund der geringen Stückzahlen bis hin zur<br />

Einzelteilfertigung einen arbeitsintensiven Produktionsprozess<br />

dar. Die Fertigung und Anpassung<br />

der schweren, nur schlecht handhabbaren<br />

und komplexen Rohr- und Rahmengeometrien erfolgt<br />

dabei häufig manuell sowie unter erheblichen körperlichen<br />

Belastungen für die Mitarbeiter. Neben der Schweißaufgabe<br />

muss der Mitarbeiter zusätzliche Aufgaben, wie<br />

das Handhaben und Ausrichten der Bauteile durchführen.<br />

Bei der Arbeit wird der Schweißer durch Restriktionen<br />

seitens der Bauteilgeometrie und der Arbeitsplatzgestaltung<br />

eingeschränkt. Deshalb sind belastende Arbeitssituationen<br />

wie das Schweißen über Kopf, kniende<br />

oder verdrehte Körperhaltungen häufig unvermeidbar.<br />

Die bei Unternehmen durchgeführten ergonomischen<br />

Analysen an manuellen Schweißarbeitsplätzen haben<br />

bestätigt, dass die körperliche Belastung im Vergleich zu<br />

anderen Tätigkeiten deutlich erhöht ist [4]. Neben der<br />

Belastung für den Mitarbeiter kann das Schweißen in<br />

Zwangslagen auch zu einer geringeren Schweißnahtqualität<br />

führen oder Nachbearbeitungen aufgrund nicht<br />

eingehaltener Toleranzvorgaben erfordern.<br />

Um die ergonomischen Bedingungen derartiger Arbeitssituationen<br />

zu verbessern und den Prozess zu optimieren,<br />

wird im Rahmen des Forschungsprojektes<br />

„rorarob“ ein <strong>Roboter</strong>assistenzsystems entwickelt, das<br />

in der Lage ist, in einer direkten <strong>Mensch</strong>-<strong>Roboter</strong>-Kollaboration<br />

Schweißaufgaben zu erfüllen [1], [2], [3]. Das<br />

robotergestützte Assistenzsystem soll dem Mitarbeiter<br />

die Bauteile in einer ergonomisch günstigen und korrekten<br />

Anordnung bereitstellen, sodass die Schweißnaht<br />

durch das Mehrrobotersystem an der Schweißposition<br />

bewegt wird.<br />

1. Stand der Technik<br />

Die Industrie benötigt neue automatisierte und flexible<br />

Produktionssysteme, die eine direkte Integration der<br />

menschlichen Arbeitskraft ermöglichen. Eine Vielzahl<br />

an Forschungsarbeiten befasst sich mit roboterbasierten<br />

Assistenzsystemen. Beispiele sind LISA [2], Assistor<br />

[3] oder <strong>Roboter</strong> für Montageaufgaben [4]. Diese Systeme<br />

wurden für geringe Gewichte und Kräfte sowie eine<br />

hohe Mobilität entwickelt. Im Projekt RAAS wurde ein<br />

<strong>Roboter</strong>arm konstruiert, der für die Positionierung von<br />

Schweißbaugruppen geeignet ist [5]. Der <strong>Roboter</strong> positioniert<br />

das Blech und der menschliche Bediener führt<br />

im Anschluss die Schweißaufgabe durch. Die DLR entwickelt<br />

einen Leichtbauroboter für eine direkte<br />

<strong>Mensch</strong>-<strong>Roboter</strong>-Interaktion mit einer menschähnlichen<br />

Armkinematik [6].<br />

Die wichtigste Voraussetzung für den Einsatz von Industrierobotern<br />

in überlappenden Arbeitsräumen ist,<br />

dass beide Partner in keinem Fall verletzt oder beschädigt<br />

werden können. Die aktuellen Normen DIN EN ISO 10218-<br />

1 [7] und der Normentwurf DIN EN ISO 10218-2 [8] ermöglichen<br />

erstmals solche Hybridsysteme.<br />

2. Optische Arbeitsraumüberwachung<br />

<strong>Roboter</strong> werden fast ausschließlich in vollautomatisierten<br />

Prozessen eingesetzt. Die schnellen Bewegungen der<br />

<strong>Roboter</strong> stellen für <strong>Mensch</strong>en ein hohes Gefährdungspotenzial<br />

dar, sodass <strong>Mensch</strong> und <strong>Roboter</strong> räumlich getrennt<br />

werden. Durch eine geänderte Normungslage sowie<br />

technische Fortschritte wurden in den letzten Jahren<br />

Weiterentwicklungen zu einer direkten <strong>Mensch</strong>-<strong>Roboter</strong>-<br />

<strong>Kooperation</strong> (MRK) ermöglicht.<br />

Diese Kollaboration lässt sich in unterschiedlichen<br />

Modi ausführen. Entscheidende Kriterien sind die räumliche<br />

Trennung des gemeinsam von <strong>Mensch</strong> und <strong>Roboter</strong><br />

genutzten Arbeitsraumes sowie die zeitliche Trennung<br />

( BILD 2). Nachfolgend werden die MRK-Modi beschrieben<br />

und verschiedenen Prozessschritten des robotergestützten<br />

Schweißassistenzsystems zugeordnet.<br />

Der MRK-Modus 2 ist sicherheitstechnisch ähnlich<br />

einer rein manuellen Fertigung (Modus 1). Im Modus 2<br />

ist ausschließlich der Mitarbeiter aktiv in den Prozess<br />

eingebunden. Das <strong>Roboter</strong>system hingegen ist zwar pro-<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

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55


Hauptbeitrag | Automation 2011<br />

grammtechnisch aktiv, wird aber in seiner Stillstandsposition<br />

überwacht. Dieser Modus wird zum Beispiel<br />

in der Prozessvorbereitung oder während des Befüllens<br />

der Bauteilbereitstellung genutzt.<br />

Eine direkte Kollaboration zwischen <strong>Mensch</strong> und<br />

<strong>Roboter</strong> stellt der Modus 3 dar. Zeitgleich und ohne<br />

räumliche Trennung arbeiten <strong>Mensch</strong> und <strong>Roboter</strong> zusammen.<br />

In diesem Modus darf die kontrollierte Geschwindigkeit<br />

des <strong>Roboter</strong>s maximal 250 mm/s betragen.<br />

Es muss sichergestellt sein, dass auch seitens der<br />

bewegten Bauteile keine Gefahr für den <strong>Mensch</strong>en besteht,<br />

zudem muss der Mitarbeiter vor Scher- und<br />

Quetschstellen geschützt werden. Im Rahmen des robotergestützten<br />

Assistenzsystems wird dieser Modus<br />

während den wertschöpfenden Prozessschritten des<br />

Schweißens verwendet.<br />

Eine weitere Möglichkeit der zeitgleichen Arbeit von<br />

<strong>Mensch</strong> und <strong>Roboter</strong> im Arbeitsraum ist der Modus 4.<br />

Im Gegensatz zum Modus 3 arbeiten beide in separierten<br />

Bereichen des von beiden Komponenten erreichbaren,<br />

aber sicherheitstechnisch unterteilten Arbeitsraums.<br />

Mögliche Prozesssituationen sind Arbeitsvorbereitungen<br />

seitens des Schweißers, wie das Reinigen des Brenners<br />

oder das Anlegen seiner Schutzausrüstung, während das<br />

<strong>Roboter</strong>system weitere Bauteile mit hohen Geschwindigkeiten<br />

dem Prozess zuführt. Hierbei kann der Arbeitsraum<br />

des <strong>Roboter</strong>s steuerungstechnisch reduziert werden.<br />

Das Trennen der Arbeitsräume kann auch während<br />

des Schweißprozesses erforderlich sein. Insbesondere<br />

bei großen und komplexen Bauteilgeometrien sind beim<br />

Umorientieren hohe Geschwindigkeiten und Verfahrwege<br />

erforderlich, um die statische Schweißposition zu<br />

ermöglichen (vergleiche Abschnitt 4).<br />

Im Modus 5 ist ausschließlich das <strong>Roboter</strong>system aktiv.<br />

Würde sich der Mitarbeiter den sich schnell bewegenden<br />

<strong>Roboter</strong>n nähern, wird dies im ersten Schritt<br />

dem Mitarbeiter signalisiert und das System verlangsamt.<br />

Nähert sich der Mitarbeiter dem <strong>Roboter</strong> noch<br />

weiter, werden alle bewegten Anlagenkomponenten<br />

gestoppt.<br />

BILD 1:<br />

Manuelles Schweißen<br />

von Rohr- und<br />

Rahmenkons truktionen<br />

BILD 2:<br />

Betriebsmodi für<br />

die <strong>Mensch</strong>-<strong>Roboter</strong>-<br />

<strong>Kooperation</strong> (MRK)<br />

56<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

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3. Sicherheitskonzept<br />

Zur Handhabung von Rohr- und Rahmenkonstruktionen<br />

in Schweißanwendungen sind <strong>Roboter</strong> mit hohen<br />

Traglasten und Reichweiten erforderlich. Große <strong>Roboter</strong><br />

weisen hohe bewegte Massen und Geschwindigkeiten<br />

auf und sind so durch die hohe kinetische Energie ein<br />

großes Gefahrenpotenzial für <strong>Mensch</strong>en. Folglich ist<br />

das Assistenzsystem so zu gestalten, dass eine Kollision<br />

zwischen <strong>Mensch</strong> und <strong>Roboter</strong> zu jedem Prozessschritt<br />

ausgeschlossen werden kann.<br />

Um den Arbeitsraum in einer von <strong>Mensch</strong> und <strong>Roboter</strong><br />

zeitparallel genutzten Schweißzelle abzusichern und so<br />

eine direkte <strong>Mensch</strong>-<strong>Roboter</strong>-Kollaboration zum Schweißen<br />

von Rohr- und Rahmenkonstruktionen zu ermöglichen,<br />

wird mit Partnern der Industrie an der TU Dortmund<br />

ein Konzept zur optischen Überwachung des<br />

Arbeitsraums erprobt. Der Arbeitsraum wird im Projekt<br />

mit dem Safety Eye realisiert, dessen Sicherheits-SPS im<br />

Falle einer Warn- oder Schutzraumverletzung digitale<br />

Signale ausgibt. Diese Signale werden genutzt, um Überwachungsfunktionen<br />

der sicheren <strong>Roboter</strong>steuerung zu<br />

aktivieren oder einen Einfluss auf das Programm des<br />

<strong>Roboter</strong>s zu nehmen, wie zum Beispiel die Reduktion<br />

der Bewegungsgeschwindigkeit oder das Stoppen des<br />

Assistenzsystems. Die <strong>Roboter</strong>steuerung kann auch die<br />

Konfiguration des Safety Eyes umschalten.<br />

Im folgenden Absatz werden im Projekt verwendete<br />

Layoutvarianten für eine sichere <strong>Mensch</strong>-<strong>Roboter</strong>-<strong>Kooperation</strong><br />

dargestellt und anhand der in BILD 2 beschriebenen<br />

Modi 3 und 4 erläutert.<br />

BILD 3 zeigt im linken Teil die Draufsicht auf den<br />

realen Demonstrator. Die Handhabungsroboter bewegen<br />

sich zur Bauteilbereitstellung, um dort die ersten<br />

beiden Bauteile der zu schweißenden Baugruppe aufzunehmen.<br />

Da sich die <strong>Roboter</strong> in diesem Modus mit<br />

normaler Geschwindigkeit bewegen, muss sichergestellt<br />

sein, dass sich kein <strong>Mensch</strong> im zulässigen Bewegungsraum<br />

des <strong>Roboter</strong>s aufhält. Nachdem der Mitarbeiter<br />

außerhalb der Raumanordnung seine Position<br />

BILD 3:<br />

Abbildung des<br />

Demonstrators und<br />

Konfiguration des<br />

Safety Eyes einer<br />

räumlich getrennten<br />

<strong>Mensch</strong>-<strong>Roboter</strong>-<br />

<strong>Kooperation</strong><br />

(Modus 4)<br />

BILD 4:<br />

Abbildung des<br />

Demonstrators und<br />

Konfiguration des<br />

Safety Eyes in einer<br />

direkten <strong>Mensch</strong>-<br />

<strong>Roboter</strong>-<strong>Kooperation</strong><br />

(Modus 3)<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

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Hauptbeitrag | Automation 2011<br />

quittiert hat, wird die in BILD 3 rechts dargestellte<br />

Konfiguration des Safety Eyes aktiviert. Dies wird<br />

durch das sichere Sensorsystem Safety Eye (Kameraeinheit<br />

oben mittig in BILD 3 links) sichergestellt, das<br />

sich an den schwarz-weißen Kreisen referenziert. Im<br />

rechten Bild ist aus der identischen Perspektive die<br />

gleiche Momentaufnahme des Prozesses aus Sicht des<br />

Safety Eyes dargestellt. Zusätzlich zur Position der <strong>Roboter</strong><br />

sind die Warn- und Schutzräume zu sehen. Der<br />

in der Abbildung unten rechts zu sehende Mitarbeiter<br />

hat die Möglichkeit, prozessvorbereitende Tätigkeiten,<br />

wie das Einstellen der Schweißparameter, Anlegen der<br />

persönlichen Schutzausrüstung oder Reinigen seines<br />

Brenners, durchzuführen, während die <strong>Roboter</strong> die<br />

Bauteile in die Schweißposition bringen.<br />

Eine direkte <strong>Mensch</strong>-<strong>Roboter</strong>-<strong>Kooperation</strong>, in welcher<br />

der Schweißer und das <strong>Roboter</strong>assistenzsystem<br />

ohne räumliche Trennung zusammenarbeiten, ist in<br />

Bild 4 dargestellt und vergleichbar mit dem Modus 3.<br />

Die Konfiguration des Safety Eyes zeigt der rechte Teil<br />

der Abbildung, wobei sich der Mitarbeiter innerhalb<br />

einer virtuellen Arbeitsraumtrennung befindet. Diese<br />

Konfiguration ist dann erforderlich, wenn weitere,<br />

nicht in das Assistenzsystem eingewiesene, Mitarbeiter<br />

den Arbeitsbereich betreten könnten. Da sich die<br />

<strong>Roboter</strong> während der <strong>Mensch</strong>-<strong>Roboter</strong>-<strong>Kooperation</strong> im<br />

Modus 3 nur mit einer geringen Geschwindigkeit bewegen<br />

dürfen, kann die Konfiguration der Warn- und<br />

Schutzräume mit geringerer Breite erfolgen. Im Bereich<br />

vor der Bauteilbereitstellung ist zudem ein<br />

Schutzraum definiert. Dieser ist zum Schutz des Prozesses<br />

vor dem Mitarbeiter, damit dieser nicht selbstständig<br />

Bauteile aus der Bereitstellung nimmt. Dies<br />

würde nicht nur den vorgeplanten Prozess behindern,<br />

sondern stellt auch im Falle eines schweißtechnischen<br />

Verbindens mit der Baugruppe eine Kollisionsgefahr<br />

im Prozess dar.<br />

Das robotergestützte Assistenzsystem ermöglicht dem<br />

Schweißer eine ergonomisch günstige, statische<br />

Schweißposition, sodass sich der Mitarbeiter auf die<br />

Schweißaufgabe konzentrieren kann. Die Bewegung der<br />

Schweißnaht entlang der Fügestelle wird durch das<br />

<strong>Roboter</strong>system realisiert. Um mit der DIN EN ISO 10218-<br />

2 konform zu sein, dürfen die Bewegungen der <strong>Roboter</strong><br />

nicht schneller als 250 mm/s sein. Diese Geschwindigkeit<br />

ist für die Bewegung der Schweißstelle mehr als<br />

ausreichend, wenn zum Beispiel Rohrabschnitte orbital<br />

miteinander verschweißt werden. Schweißprozesse wie<br />

diese sind konform mit der Richtlinie, da sich die <strong>Roboter</strong>achsen<br />

nur langsam bewegen oder stillstehen.<br />

Beim Umorientieren der zum Teil großen und komplexen<br />

Baugruppen können jedoch deutlich höhere Geschwindigkeiten<br />

erforderlich sein, wenn zum Beispiel<br />

die Ausrichtung der <strong>Roboter</strong>flansche nicht fluchtend<br />

ist. Derartige Situationen stellen zwar keine Gefährdung<br />

für den Mitarbeiter dar, wenn der Abstand zwischen<br />

dem Schweißer und den sich bewegenden Teilen<br />

groß genug ist, werden von der Norm jedoch nicht berücksichtigt.<br />

Auf der anderen Seite können auch Prozessschritte<br />

mit einer <strong>Roboter</strong>geschwindigkeit<br />

< 250 mm/s ein Gefährdungspotenzial bieten, wenn<br />

große Bauteile umorientiert werden. Die Erkennung der<br />

Gefahrenstellen muss bereits während der Offline-Programmierung<br />

erfolgen.<br />

Sind bei einer konstanten Bewegung der Schweißnaht<br />

höhere Geschwindigkeiten der <strong>Roboter</strong> erforderlich,<br />

gibt es zwei Ausweichstrategien beabsichtigt:<br />

Die Bewegungsgeschwindigkeit der Schweißnaht<br />

wird reduziert. Der Schweißer muss sich durch eine<br />

Reduktion der Schweißgeschwindigkeit oder durch ein<br />

Bewegen der Schweißpistole entlang der Schweißnaht<br />

anpassen. Das System verbleibt im Modus 3.<br />

Um den Mitarbeiter vor erhöhten Geschwindigkeiten<br />

der <strong>Roboter</strong> während der Umorientierung zu schützen,<br />

tritt der Mitarbeiter aus dem Arbeitsbereich des <strong>Roboter</strong>s<br />

zurück und quittiert dies. Die Sicherheitskonfiguration<br />

des Systems wechselt in den Modus 4 mit einer<br />

räumlich getrennten <strong>Mensch</strong>-<strong>Roboter</strong>-<strong>Kooperation</strong>, sodass<br />

die Umorientierung der teilgeschweißten Baugruppe<br />

erfolgen kann, ohne dass der Mitarbeiter im Gefahrenbereich<br />

ist.<br />

Neben dem Schutz vor schnellen Bewegungen des<br />

<strong>Roboter</strong>systems muss der Mitarbeiter vor Scher- und<br />

Quetschstellen geschützt werden. Diese können zwischen<br />

Armteilen der <strong>Roboter</strong>kinematik oder zwischen<br />

zwei gegriffenen Bauteilen auftreten. Nach Möglichkeit<br />

sollen Scher- und Quetschstellen im Prozess bereits<br />

während der Planungsphase im Offline-Programmiersystem<br />

vermieden werden. In Rahmen des Projektes<br />

rorarob ist geplant, die zu schweißenden Bauteile<br />

durch die Handhabungsroboter in eine Vorposition<br />

nahe der statischen Schweißposition zu bringen. Die<br />

exakte Positionierung soll dann durch den Mitarbeiter<br />

über eine anwenderfreundliche <strong>Mensch</strong>-<strong>Roboter</strong>-<br />

Schnittstelle erfolgen. Dies ist notwendig, um bauteilbedingte<br />

oder prozessbedingte Toleranzen auszugleichen.<br />

Insbesondere während dieser Phase besteht eine<br />

erhöhte Quetschgefahr zwischen den Bauteilen. Um<br />

zu verhindern, dass sich während des Ausrichtens<br />

Extremitäten des Mitarbeiters (z. B. Finger, Hand oder<br />

Arm) im Gefahrenbereich befinden, muss in dieser<br />

Phase eine sichere Position der Extremitäten sicher<br />

gestellt sein. Technisch ist die Nutzung von Zustimmschaltern<br />

vorgesehen.<br />

4. Prospektive Planung durch Offlinesimulation<br />

Für die Planung und Programmierung von automatisierten<br />

Systemen, wie <strong>Roboter</strong>zellen, ist Software zur Offline-<br />

Programmierung und Simulation der Anlagen weit verbreitet.<br />

Um nun hybride Systeme mit einer direkten <strong>Kooperation</strong><br />

zwischen <strong>Mensch</strong> und <strong>Roboter</strong> in einer solchen<br />

Simulationsumgebung abbilden zu können, muss diese<br />

um ein digitales <strong>Mensch</strong>modell erweitert werden. Erst<br />

dies ermöglicht es dem Anwender, eine Simulation des<br />

gesamten Systems, einschließlich der menschlichen Kinematik,<br />

durchzuführen, um Kollisionsgefahren und<br />

weitere ergonomische Aspekte, wie belastende Körperhaltungen<br />

des Mitarbeiters, zu analysieren und zu bewerten.<br />

Die im beschriebenen Projekt verwendete Offline-Programmiersoftware<br />

ist Famos, entwickelt von Carat Ro-<br />

58<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

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BILD 5: Visualisierung der hybriden <strong>Mensch</strong>-<strong>Roboter</strong>-Zelle in Famos<br />

BILD 6: Gelenkpunkte des implementierten <strong>Mensch</strong>modells (A) / Beispiel für einen OWAS-Haltungscode (B)<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

59


Hauptbeitrag | Automation 2011<br />

botic Innovation GmbH (www.carat-robotic.de). Bisher<br />

ist diese Software in der Lage, <strong>Roboter</strong>-Anwendungen in<br />

einer virtuellen Arbeitsumgebung abzubilden und zu<br />

simulieren. Der innerhalb des Projektes verfolgte Ansatz<br />

ist, ein „Character Animation System“ (CAS) aus der Unterhaltungsindustrie<br />

zu verwenden, um ein bewegtes<br />

<strong>Mensch</strong>modell in die bestehende Lösung zu integrieren<br />

(BILD 5). In diesem Fall wird EmotionFX von MGD<br />

(www.mysticgd.com) verwendet, ein CAS welches für<br />

Videospiel-Anwendungen entwickelt wurde.<br />

Die Hauptaufgaben, die das <strong>Mensch</strong>modell in der<br />

Offline-Programmierung der hybriden <strong>Mensch</strong>-<strong>Roboter</strong>-Zelle<br />

übernehmen soll, sind die Vermeidung von<br />

Kollisionen und die Bewertung der ergonomischen<br />

Bedingungen während der Bewegungssequenz beziehungsweise<br />

der Bahnplanung. Um zu verhindern, dass<br />

der Mitarbeiter durch direkten Kontakt zwischen dem<br />

<strong>Roboter</strong> einem Verletzungsrisiko ausgesetzt wird, müssen<br />

in der Bahnplanung bereits prospektiv die Bewegungen<br />

des Mitarbeiters während des Schweißens<br />

berücksichtigt werden. Mit einem <strong>Mensch</strong>modell in<br />

der Offline-Programmierumgebung ist es möglich, den<br />

Bewegungspfad der <strong>Roboter</strong> mit den Bewegungen des<br />

Mitarbeiters abzustimmen, um so eine sichere und<br />

bewegungsökonomische <strong>Mensch</strong>-<strong>Roboter</strong>-<strong>Kooperation</strong><br />

sicherzustellen.<br />

Neben der Vermeidung von unmittelbaren Gefahren<br />

ist zusätzlich die langfristige Erhaltung der Gesundheit<br />

und Arbeitskraft des Mitarbeiters durch frühe ergonomische<br />

Analyse zu gewährleisten. Zusätzlich zur Simulation<br />

der menschlichen Bewegungen, einschließlich<br />

der anthropometrischen Anpassung des Modells, wird<br />

ein ergonomisches Bewertungsverfahren zur Beurteilung<br />

der auf den Mitarbeiter wirkenden Belastung bei<br />

der Arbeitsausführung in die Offline-Programmierumgebung<br />

integriert.<br />

Eine dieser Bewertungsmethoden ist das Owako Work<br />

Analyse System (OWAS) [14]. Die Methodik beinhaltet<br />

insgesamt 252 mögliche Kombinationen aus Haltung<br />

und Belastung, unterteilt in vier Rückenhaltungen, drei<br />

Armhaltungen und sieben Beinstellungen mit jeweils<br />

drei Lastdimensionen. Innerhalb der Simulation kann<br />

aus den Gelenkpositionen des Modells die Körperhaltung<br />

zu jedem Zeitpunkt identifiziert werden und in<br />

einen Haltungscode überführt werden (Bild 6).<br />

Die Gelenkkoordinaten und Bewegungsdaten können<br />

aus der Simulation extrahiert werden. Mit diesen<br />

Informationen ist es möglich, über die Haltungsart<br />

und -zeit eine Bewertung nach der OWAS-Methodik<br />

abzuleiten. Systematisch wird dabei die Zeitdauer<br />

der einzelnen Körperhaltung in der gesamten analysierten<br />

Bewegungssequenz ermittelt und die resul-<br />

Referenzen<br />

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

Ergonomic Collaboration of Humans and Robots for Welding<br />

of Assemblies. In: Proceedings of 3rd CIRP Conference on<br />

Assembly Technologies and Systems (CATS) 2010 “Responsive,<br />

customer demand driven, adaptive assembly”, 01.<br />

–03.06.2010, Trondheim (Norwegen), S. 121–125<br />

[2] Thomas, C., Kuhlenkötter, B.: Sichere und kollaborierende<br />

<strong>Mensch</strong>-<strong>Roboter</strong>-Interaktion – Entwicklung eines robotergestützten<br />

Assistenzsystems für das Handling im Schweißprozess.<br />

In: Internationales Forum Mechatronik (IFM) 2010<br />

Conference volume, 03./04.11.2010, Winterthur (Schweiz)<br />

[3] www.autonomik.de, Bundesministerium für Wirtschaft und<br />

Technologie (18.04.2011)<br />

[4] Busch, F., Deuse, J.: Ergonomische Bewertung von<br />

manuellen Schweißarbeitsplätzen mittels Automotive<br />

Assembly Work Sheet (AAWS). In: 57. Arbeitswissenschaftlicher<br />

Kongress, Gesellschaft für Arbeitswissenschaft, 23.<br />

–25.03.2011, Chemnitz, GfA-Press, S. 585–588<br />

[5] Fritzsche M., Schulenburg E., Elkmann N., Girstl A., Stiene<br />

S., Teutsch, C.: Safe Human-Robot Interaction in a Life<br />

Science Environment, Proc. of the IEEE International<br />

Workshop on Safety Security and Rescue Robotics, 2007<br />

[6] Schraft, R. D., Helms, E., Hans, M., Thiemermann, S.:<br />

Man-Machine-Interaction and Co-Operation for Mobile and<br />

Assisting Robots, Proceedings of EIS 2004<br />

[7] Reinhart, G., Roesel, W.: Interactive Robotassistant in<br />

Production Environments – Safety Aspects in Human-<br />

Robot Cooperation. In: Zeitschrift für wirtschaftlichen<br />

Fabrikbetrieb Jahrgang 105, 2010, S. 80–83<br />

[8] Hueppi, R., Grueninger, R., Nielsen, E.: Effizienter<br />

<strong>Roboter</strong>einsatz schon bei kleineren und mittleren Serien.<br />

Proceedings ifm 2006 Mechatronic-Cluster Clusterland<br />

Oberösterreich GmbH, Linz, 2006<br />

[9] Albu-Schaeffer, A., Haddadin, S, Ott, Ch., Stemmer, A.,<br />

Wimkoeck, T., Hirzinger, G.: The DLR lightweight robot:<br />

design and control concepts for robots in human environments.<br />

In: Industrial Robot: An international Journal, Vol.<br />

34 (5), 2007, S. 376–385<br />

[10] Beumelburg, K.: Fähigkeitsorientierte Montageablaufplanung<br />

in der direkten <strong>Mensch</strong>-<strong>Roboter</strong>-<strong>Kooperation</strong>.<br />

Dissertation, Institut für industrielle Fertigung und<br />

Fabrikbetrieb, Universität Stuttgart, 2005<br />

[11] Thiemermann, S.: Direkte <strong>Mensch</strong>-<strong>Roboter</strong>-<strong>Kooperation</strong> in<br />

der Kleinteilemontage mit einem SCARA-<strong>Roboter</strong>.<br />

Dissertation, Institut für industrielle Fertigung und<br />

Fabrikbetrieb, Universität Stuttgart, 2005<br />

[12] DIN EN ISO 10218, Teil 1: Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen<br />

– Teil 1: <strong>Roboter</strong>. Beuth Verlag, Berlin, 2009<br />

[13] DIN EN ISO 10218, Teil 2: Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen<br />

– Teil 2: <strong>Roboter</strong>system und Integration. Beuth<br />

Verlag, Berlin, 2008<br />

[14] Mattila, M.: Analysis of working postures in hammering<br />

tasks on building construction sites using the computerized<br />

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

60<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


tierende Belastung auf den Bewegungsapparat für<br />

Rücken, Arme und Beine ermittelt. Im Anschluss<br />

können daraus abgeleitete Korrekturmaßnahmen,<br />

zum Beispiel bezogen auf die aktuelle Bahnplanung,<br />

durchgeführt werden.<br />

5. Fazit<br />

Ziel des Projektes ist es, eine industriell anwendbare<br />

Lösung für die Kombination der Fähigkeiten von<br />

<strong>Mensch</strong> und <strong>Roboter</strong>n zu entwickeln. Um dies zu erreichen,<br />

ist es notwendig, Sicherheitskonzepte für überlappende<br />

Arbeitsräume mit nicht trennenden Schutzeinrichtungen<br />

aufzubauen und aus den bestehenden<br />

Insellösungen heraus zu kombinieren. Die Umsetzung<br />

der Lösung in einem Demonstrator an der TU Dortmund<br />

verlief bisher mit großem Erfolg und zeigte hinsichtlich<br />

der Eignung für den Einsatz bereits einen<br />

hohen Reifegrad der eingesetzten technischen Lösungen.<br />

Es zeigte sich auch, dass die Norm DIN EN ISO 10218-<br />

1 und der Normentwurf DIN EN ISO 10218-2 zwar nun<br />

die verschiedenen Möglichkeiten und Grenzen einer<br />

<strong>Mensch</strong>-<strong>Roboter</strong>-<strong>Kooperation</strong> definieren, für eine industriell<br />

nutzbare Lösung jedoch insbesondere die maximale<br />

Geschwindigkeit von 250 mm/s, die derzeit für<br />

eine direkte <strong>Kooperation</strong> vorgeschrieben ist, in Bezug<br />

auf einen sicheren Betrieb noch differenzierter analysiert<br />

werden muss.<br />

Manuskripteingang<br />

00.00.2010<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

Autoren<br />

Dipl.-Ing. Carsten Thomas (geb. 1979) studierte an der<br />

TU Dortmund Maschinenbau. Seit seinem Abschluss als<br />

Diplom Ingenieur arbeitet er als wissenschaftlicher<br />

Mitarbeiter am Lehrstuhl IRPA. Derzeitige Tätigkeiten<br />

sind <strong>Mensch</strong>-und Prozesssicherheit sowie Handhabungsaufgaben<br />

für ein robotergestütztes Assistenzsystem.<br />

TU Dortmund,<br />

Lehrstuhl für Industrielle Robotik und<br />

Produktionsautomatisierung (IRPA),<br />

Leonhard-Euler-Str. 2, D-44227 Dortmund,<br />

Tel. +49 (0) 231 755 56 15,<br />

E-Mail: mail@irpa.de<br />

Dipl.-Ing. Felix Busch (geb. 1982) ist wissenschaftlicher<br />

Mitarbeiter am Lehrstuhl für Arbeits und Produktionssysteme<br />

an der Technischen Universität Dortmund. Als<br />

Industrial Engineer liegen seine Arbeitsschwerpunkte<br />

insbesondere in den Bereichen Montagesystemgestaltung,<br />

Zeitwirtschaft, digitale Fabrik und schlanke Produktion.<br />

TU Dortmund,<br />

Lehrstuhl für Arbeits- und Produktionssysteme (APS),<br />

Leonhard-Euler-Str. 5, D-44227 Dortmund,<br />

Tel. +49 (0) 231 755 26 52,<br />

E-Mail: sekretariat.aps.mb@tu-dortmund.de,<br />

Prof. Dr.-Ing. Bernd Kuhlenkötter (geb. 1971) leitet den<br />

Lehrstuhl IRPA an der TU Dortmund. Schwerpunkte sind<br />

industrielle <strong>Roboter</strong>systeme, Simulation von robotergestützten<br />

Handhabungs- und Bearbeitungsprozessen sowie<br />

benutzerfreundliche Programmier- und Simulationssysteme<br />

für die Robotik. Zuvor verantwortete er den Bereich<br />

Product Management & Technology bei der ABB Robotics.<br />

TU Dortmund,<br />

Lehrstuhl für Industrielle Robotik und<br />

Produktionsautomatisierung (IRPA),<br />

Leonhard-Euler-Str. 2, D-44227 Dortmund,<br />

Tel. +49 (0) 231 755 56 15,<br />

E-Mail: mail@irpa.de<br />

Förderhinweis<br />

und Danksagung<br />

Der Beitrag basiert auf dem Forschungsprojekt<br />

„rorarob“, gefördert durch das Bundesministerium<br />

für Wirtschaft und Technologie auf Beschluss des<br />

Bundestages. Ferner danken wir dem Deutschen<br />

Luft- und Raumfahrt e. V. als Projektträger und den<br />

beteiligten Projektpartnern Carat Robotic Innovation<br />

GmbH, Dortmund); Böcker Maschinenwerke GmbH,<br />

Werne, und MAN Turbo & Diesel SE, Oberhausen.<br />

Prof. Dr.-Ing. Jochen Deuse (1967) ist Inhaber des Lehrstuhls<br />

APS an der TU Dortmund. Arbeitsschwerpunkte sind<br />

Themen rund um das Industrial Engineering, wie Arbeitssystemgestaltung<br />

und Digitale Fabrik. Umfangreiche praktische<br />

Erfahrungen sammelte er über mehrere Jahre innerhalb der<br />

Bosch Gruppe.<br />

TU Dortmund,<br />

Lehrstuhl für Arbeits- und Produktionssysteme (APS),<br />

Leonhard-Euler-Str. 5, D-44227 Dortmund,<br />

Tel. +49 (0) 231 755 26 52,<br />

E-Mail: sekretariat.aps.mb@tu-dortmund.de<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

61


Hauptbeitrag | Automation 2011<br />

Beschreibung mechatronischer<br />

Objekte durch Merkmale<br />

Integriertes Engineering<br />

Dieser Beitrag beschreibt einen Ansatz zur Merkmalsmodellierung mittels AutomationML<br />

unter Nutzung des CAEX-Rollenkonzeptes. Die Semantik der Merkmale wird über wiederverwendbare<br />

Rollenbibliotheken definiert, die abstrakte Begriffe für deren Beschreibung<br />

enthalten. Dieser Ansatz wird anhand von Merkmalen für mechatronische Systeme<br />

und Einheiten demonstriert. Die dabei definierten Rollen unterstützen die Übersetzung<br />

zwischen verschiedenen Planungssystemen und Datenmodellen und den Aufbau von<br />

systemunabhängigen Komponentenbibliotheken.<br />

SCHLAGWÖRTER AutomationML / Mechatronik / Engineering<br />

Integrated Engineering –<br />

Description of mechatronic objects by characteristic properties<br />

This paper describes a comprehensive approach to modeling of system characteristics<br />

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

on reusable role libraries, containing, models of abstract concepts for the description of<br />

characteristic properties. This approach is demonstrated by the basis of features for mechatronic<br />

systems and units. The roles defined here support the translation between<br />

different planning systems and data models and the development of system-independent<br />

component libraries.<br />

KEYWORDS AutomationML / Mechatronics / Engineering<br />

62<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


Josef Prinz, INPRO<br />

Arndt Lüder, Otto-v.-Guericke Universität Magdeburg<br />

Nico Suchold, IFAK<br />

Rainer Drath, ABB AG<br />

AutomationML ist ein Datenaustauschformat für<br />

die konsistente Weitergabe von Planungsdaten<br />

im Engineering von Produktionssystemen. AutomationML<br />

ermöglicht die Abbildung von<br />

Anlagenstrukturen, Geometrien, Kinematiken<br />

und Verhalten von Anlagenkomponenten. Anlagenbeschreibungen<br />

im AutomationML-Format sind hierarchische<br />

Objektstrukturen, die alle Anlagenelemente, wie<br />

Linien, Zellen, Funktionseinheiten, bis zu integrierten<br />

Komponenten und Geräten, sowie deren Schnittstellen<br />

umfassen. Informationsflüsse, Energieflüsse oder<br />

Stoffflüsse werden über Relationen zwischen den<br />

Schnittstellen abgebildet, charakteristische Merkmale<br />

von Anlagenelementen über zugeordnete Attribute beschrieben.<br />

Die Verfeinerungstiefe einer Objekthierarchie und die<br />

Struktur einzelner AutomationML-Objekte sowie die<br />

beschreibenden Attribute sind abhängig von der jeweiligen<br />

Planungsphase und dem erreichten Detaillierungsgrad<br />

der geplanten Anlage. Durch objektorientierte Beschreibungskonzepte<br />

sind konsistente iterative Verfeinerungen<br />

und Spezifizierungen möglich. Die Autoren<br />

stellen ein Konzept vor, wie mit AutomationML neben<br />

Objekten auch Merkmale abgebildet werden können.<br />

Dies erfolgt beispielhaft für mechatronische Objekte und<br />

ermöglicht die Beschreibung eines mechatronischen<br />

Systems über den gesamten Lebenszyklus.<br />

1. Daten mechatronischer Objekte im Engineering<br />

Der Begriff der Mechatronik entstand in den 70er-Jahren<br />

als Synonym für die Integration von Mechanik und Elektronik<br />

zu einem ganzheitlich entworfenen Produkt [1]. Seit<br />

dieser Zeit wurden weitere Technologiebereiche in den<br />

Mechatronikbegriff integriert, sodass Mechatronik heute<br />

als Synonym für die Betrachtung aller relevanten Entwurfsdisziplinen<br />

und Technologien im Rahmen eines Entwurfs-<br />

beziehungsweise Engineeringprozesses steht [2].<br />

Diesem Gedanken folgend wurden in diversen Arbeiten<br />

Vorgehensweisen zum mechatronischen Entwurf<br />

von Systemen beschrieben [2 bis 5] und in Standards<br />

überführt [6]. In allen diesen Arbeiten werden mechatronische<br />

Systeme und die sie bildenden mechatronischen<br />

Einheiten ähnlich definiert. Grundlage ist dabei<br />

immer die Kombination von mechanischen, elektrischen<br />

und informationsverarbeitenden Systemen. Dementsprechend<br />

ist eine mechatronische Einheit eine gezielte,<br />

gegebenenfalls hierarchische Kombination aus<br />

mechanischen, elektrischen und informationsverarbeitenden<br />

Bestandteilen zur Lösung eines spezifischen<br />

Problems oder zur Erbringung spezifischer Funktionalitäten.<br />

Ein mechatronisches System wird durch die<br />

hierarchische Kombination von mechatronischen Einheiten<br />

gebildet.<br />

Jede mechatronische Einheit und damit jedes mechatronische<br />

System lässt sich über die für diese Einheit<br />

beziehungsweise dieses System charakteristischen<br />

Eigenschaften beschreiben. Diese charakteristischen<br />

Eigenschaften bilden gezielte Abstraktionen<br />

der realen mechatronischen Einheiten / Systeme und<br />

können in weiten Bereichen gemäß [7] als Merkmale<br />

aufgefasst werden. Die für mechatronische Einheiten<br />

/ Systeme charakteristischen Eigenschaften umfassen<br />

den gesamte Lebenszyklus und damit alle in ihm relevanten<br />

Informationen einschließlich konstruktiver<br />

und anwendungsspezifischer Informationen der verschiedenen<br />

Gewerke. Die Herausforderung bei der Anlagenplanung<br />

im Vergleich zu der klassischen CAD-<br />

Konstruktion besteht in der größeren Anzahl von<br />

Merkmalen und zum Teil komplexen Abhängigkeiten<br />

der Merkmale untereinander. Nach [2, 4] können diese<br />

Eigenschaften und Merkmalsmengen wie in Bild 1<br />

dargestellt klassifiziert werden.<br />

Die topologischen Informationen umfassen charakteristische<br />

Eigenschaften zur Beschreibung der hierarchischen<br />

Struktur von Anlagen. Die steuerungstechnischen<br />

Informationen beinhalten Eigenschaften und Merkmale<br />

zum gesteuerten Verhalten, Steuerungssignale, SPS-Programmorganisationseinheiten,<br />

Kommunikationssystemstrukturen,<br />

Kommunikationssystemparameter und andere.<br />

Demgegenüber enthalten die funktionsbeschrei-<br />

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7-8 / 2011<br />

63


Hauptbeitrag | Automation 2011<br />

benden Informationen Eigenschaften und Merkmale zu<br />

den Funktionalitäten der mechatronischen Einheit wie<br />

funktionale Parameter, Beschreibungen technologischer<br />

Prozesse und Beschreibungen des Verhaltens. Die mechanischen<br />

Informationen umfassen Eigenschaften und<br />

Merkmale der gesamten mechanischen Konstruktion mit<br />

Geometrie und Kinematik, die elektrischen, pneumatischen<br />

und hydraulischen Informationen beinhalten Eigenschaften<br />

und Merkmale der elektrischen, pneumatischen<br />

und hydraulischen Konstruktion mit Rohrleitungs-<br />

und Verkabelungsplänen sowie Verbindungslisten.<br />

Betriebswirtschaftliche Informationen umfassen<br />

Merkmale zur betriebswirtschaftlichen Nutzung der<br />

mechatronischen Einheit wie Sachnummern, Informationen<br />

zum Hersteller, Kosten, Flächenbedarf und ähnliches.<br />

Die letzte Klasse bilden sonstige technische Informationen.<br />

Sie beinhalten Zusatzinformationen in<br />

Bedienungs-, Installations- oder Wartungsanleitungen<br />

sowie technische Daten wie Material, Gewicht oder Leistungsaufnahme.<br />

Nicht alle charakteristischen Eigenschaften mechatronischer<br />

Einheiten können Merkmalen zugeordnet<br />

werden. Beispielsweise kann die Existenz einer spezifischen<br />

Programmeinheit zur Steuerung einer mechatronischen<br />

Einheit als Merkmal aufgefasst werden, wohingegen<br />

die Programmeinheit selbst und ihre Programmierung<br />

nicht eindeutig als Merkmale aufzufassen sind.<br />

Zudem können einzelne Merkmale mehreren Informa-<br />

Steuerungstechnische<br />

Informationen<br />

Signale<br />

SPS Programmorganisationseinheiten<br />

…<br />

Mechanische<br />

Informationen<br />

3D CAD<br />

Kinematik<br />

…<br />

Elekrtr., Pneum.,<br />

Hydraul. Informationen<br />

Verkabelung<br />

Verbindungen<br />

Rohrleitungen<br />

...<br />

Topologische<br />

Informationen<br />

Anlagen- und<br />

Geräteaufbau<br />

Layout<br />

Schnittstellen<br />

Mechatronische<br />

Einheit<br />

Funktionsbeschreib.<br />

Informationen<br />

Funktionsbeschreibungen<br />

Funktionale Parameter<br />

Technologische Prozesse<br />

….<br />

Betriebswirtschaftliche<br />

Informationen<br />

Herstellerangaben<br />

Artikelnummer<br />

Preis<br />

…<br />

Sonstige techn.<br />

Informationen<br />

Gewicht<br />

Energieverbrauch<br />

techn. Dokumentation<br />

BILD 1: Informationsmengen zur Beschreibung<br />

einer mechatronischen Einheit<br />

BILD 2: CAEX-Rollenkonzept nach [8]<br />

RoleClassLibs<br />

AutomationML-<br />

BaseRole<br />

AutomationML-<br />

BaseRoleClassLib<br />

…<br />

Property-<br />

Set<br />

Commercial<br />

Administrative<br />

Technical<br />

…<br />

…<br />

Mechanical<br />

Electrical<br />

Functional<br />

AutomationML-<br />

PropertySetRoleClassLib<br />

Robot-<br />

Mechanical<br />

Robot-<br />

Technical<br />

Robot-<br />

Functional<br />

UserDefined-<br />

PropertySet-<br />

RoleClassLib<br />

Geltungsbereich<br />

Automation Engineering<br />

(generell)<br />

Mechatronische Einheiten<br />

(generell)<br />

spezifisch<br />

BILD 3: Rollenbibliotheken und Gültigkeitsbereiche<br />

BILD 4: Verwendung der PropertySet-Rolle und Anpassung<br />

an Anforderungen konkreter Katalogobjekte<br />

64<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


tionsmengen dieser Klassifikation zugerechnet werden.<br />

So kann ein Flächenbedarfsmerkmal in der mechanischen<br />

Konstruktion und auch in der betriebswirtschaftlichen<br />

Sichtweise sinnvoll genutzt werden. Beide Probleme<br />

stellen jedoch keinen Widerspruch zur nachfolgenden<br />

Nutzung der Merkmale im Engineering dar. Im<br />

Gegenteil, der bewusste Einsatz von Merkmalen ermöglicht<br />

weitreichende Vorteile.<br />

2. Durchgängigkeit durch AutomationML Rollen<br />

Rollen sind ein Schlüsselkonzept von CAEX und wurden<br />

zur herstellerunabhängigen Planung von Anlagen entwickelt.<br />

Neben Objektinstanzen und SystemUnit-Klassen<br />

stellen Rollenklassen eine dritte Säule der objektorientierten<br />

CAEX-Konzepte dar. Instanzen beschreiben individuelle<br />

Planungsobjekte, beispielsweise einen „<strong>Roboter</strong>21“,<br />

während SystemUnit-Klassen Typen konkreter<br />

Anlagenkomponenten eines Herstellers beschreiben und<br />

als Herstellerkatalog verstanden werden können. Rollen<br />

hingegen spielen eine Vermittlerrolle zwischen Instanzen<br />

und SystemUnit-Klassen.<br />

Die Idee hinter dem Rollenkonzept besteht darin, bei<br />

der Anlagenplanung zunächst Objektinstanzen zu erzeugen<br />

und ihnen nur eine Rolle zuzuweisen. Diese<br />

Rolle beschreibt die „Bedeutung“ der Instanz, geht jedoch<br />

nicht auf die technische Implementierung ein.<br />

Dies entspricht einer technischen Grobplanung, die Instanzen<br />

dienen als Platzhalter. Dies fördert das schrittweise<br />

iterative Engineering. Prozesstechnische oder<br />

fertigungstechnische Anlagen lassen sich mit einem<br />

überschaubaren Satz von Rollen planen, ohne konkrete<br />

technische Details planen zu müssen.<br />

Im Rahmen des Planungsfortschritts werden die Instanzen<br />

schrittweise miteinander verknüpft, Anforderungen<br />

spezifiziert und anschließend jeweils eine technische<br />

Implementierung ausgewählt: eine SystemUnit-<br />

Klasse. Eine Rollenbibliothek stellt somit eine Sammlung<br />

bedeutungsbehafteter Platzhalter dar und erlaubt<br />

später eine automatische Interpretation der Funktionen<br />

von Objektinstanzen. Rollen sind herstellerunabhängig<br />

und lassen sich daher standardisieren. Sie bilden somit<br />

ein semantisches Grundgerüst für die Bedeutung von<br />

Objekten beziehungsweise Funktionen und unterstützen<br />

die intuitive Vorgehensweise des Planers.<br />

Bild 2 verdeutlicht dies an einem Beispiel: der <strong>Roboter</strong><br />

„RB_100“ (1) wird als CAEX InternalElement in der Instanzhierarchie<br />

platziert. Über eine Assoziation zur Rolle<br />

„Robot“ (2) wird dieser Instanz eine Bedeutung verliehen.<br />

Erst mit einer Zuordnung einer SystemUnit-Klasse<br />

(3) erfolgt die Auswahl eines konkreten <strong>Roboter</strong>s eines<br />

konkreten Herstellers.<br />

Jeder SystemUnit-Klasse kann optional zugeordnet werden,<br />

welche Rolle sie unterstützt. Dies ermöglicht ein explizites<br />

Mapping zwischen herstellerunabhängigen Rollen<br />

und herstellerspezifischen Komponenten. Dieses Mapping<br />

kann beispielsweise genutzt werden, um teilautomatisiert<br />

geeignete Kandidaten aus der SystemUnit-Bibliothek eines<br />

Herstellers für die Erfüllung einer Funktion auszuwählen.<br />

Rollen sind somit ein Schlüssel zur automatischen Interpretation<br />

der Bedeutung von Objekten.<br />

3. Die Rolle PropertySet<br />

Das ursprüngliche Rollenkonzept diente ausschließlich<br />

dazu, die Bedeutung von herstellerspezifischen<br />

Objekten oder Klassen neutral zu beschreiben. Das<br />

vorgestellte Konzept erweitert diese Idee auf Attribute.<br />

Dazu definieren die Autoren die Rolle „PropertySet“.<br />

Ein PropertySet ist eine Gruppe von semantisch und<br />

syntaktisch wohldefinierten Merkmalen für einen bestimmten<br />

Geltungsbereich. Jede dieser Attributgruppen<br />

wird als eigene Rollenklasse modelliert und ist<br />

von der Standard-Rolle „PropertySet“ abgeleitet. Solche<br />

Rollenklassen lassen sich in Rollenbibliotheken<br />

zusammenfassen, wodurch Attributwörterbücher definiert<br />

werden können.<br />

Das Konzept der PropertySets ist die Basis, um relevante<br />

Merkmale von Objekten in einer einheitlichen<br />

Form beschreiben und austauschen zu können. Die<br />

beschriebene AutomationML-PropertySetRoleClass-<br />

Lib deckt allgemeine Merkmalbeschreibungen mechatronischer<br />

Einheiten ab. Erweiterungen und Spezialisierungen<br />

des Geltungsbereichs können von<br />

AutomationML-Anwendern selbst durch Spezialisierungen<br />

der Standardrollen prozess- und domänenspezifisch<br />

oder auch gerätespezifisch in eigenen Rollenbibliotheken<br />

entwickelt werden, wie in Bild 3<br />

beispielhaft dargestellt.<br />

Die Rollenbibliothek der PropertySet-Rollen enthält<br />

eine Sammlung grundlegender Attribute von mechatronischen<br />

Objekten, wie technische, administrative und<br />

kaufmännische Attribute. Der Aufbau der Rollenbibliothek<br />

ist so gewählt, dass über die hierarchische Ordnungsstruktur<br />

eine Kategorisierung der Merkmale vorgenommen<br />

wird. In dieser Struktur sind die Informationsaspekte<br />

eines mechatronischen Systems [4], die in<br />

Abschnitt 1 erläutert wurden, enthalten.<br />

In einer PropertySet-Rolle werden einzelne Merkmale,<br />

oder eine Gruppe von Merkmalen definiert. Merkmale<br />

einer PropertySet-Rolle werden der Rolle über<br />

CAEX-Attribute zugeordnet. Bei der Definition der Attribute<br />

von PropertySet-Rollen werden dort, wo es möglich<br />

ist, SI-Einheiten eingesetzt. Bei der Verwendung<br />

einer Rolle kann eine Selektion der benötigten Attribute<br />

erfolgen (Bild 4). Ein Kostenmerkmal könnte zum<br />

Beispiel über einen Wert in Euro oder alternativ über<br />

einen Faktor angegeben werden, in der realen Komponente<br />

wird aber nur der Euro-Wert benötigt. Dieselbe<br />

Rolle kann mehrfach verwendet werden, um beispielsweise<br />

mehrere Preise abzubilden oder eine Unterscheidung<br />

zwischen unterschiedlichen Gewichtsangaben<br />

wie dem Gesamtgewicht und der zulässigen Achslast<br />

eines Objektes zu treffen.<br />

Die Entwicklung von SystemUnit-Klassen für den Aufbau<br />

von Merkmalsgruppen mit einer Kombination verschiedener<br />

PropertySet-Rollen ist möglich. Damit können<br />

Eigenschaften einer spezifischen Kategorie von<br />

Komponenten (eine Geräteklasse) einheitlich definiert<br />

werden.<br />

Rollen unterstützen die iterative Vorgehensweise in<br />

der Planung und die schrittweise Spezifizierung von<br />

abstrakten und generischen Konzepten und Objekten<br />

zu konkreten und spezifischen Objekten. Auch die in<br />

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7-8 / 2011<br />

65


Hauptbeitrag | Automation 2011<br />

der Planung verwendeten Objektbibliotheken spiegeln<br />

die schrittweise Vorgehensweise wider. In der Grobplanung<br />

werden Bibliotheken mit generischen Komponenten<br />

verwendet, wohingegen Bibliotheken in der<br />

Konstruktion und Inbetriebnahme, Modelle realer<br />

Komponenten enthalten.<br />

Objekte, die in einer vorgelagerten Planungsstufe<br />

verwendet werden, enthalten in der Regel Anforderungsdefinitionen,<br />

die erst in einem folgenden Planungsschritt<br />

konkretisiert werden. Verknüpft man die<br />

Anforderungsdefinitionen mit standardisierten Rollen<br />

entsteht aus einer allgemeinen Beschreibung eine formale<br />

Spezifikation. Auf Basis dieser Spezifikation kann<br />

im nachfolgenden Planungsschritt die Selektion spezifischer<br />

Bibliotheksobjekte erfolgen. Diese Objekte<br />

können in einzelnen Details wieder nur grob beschrieben<br />

sein und eine weitere Spezifizierung durch konkretere<br />

Objekte verlangen. Dieser Prozess ist in Bild 5<br />

schematisch dargestellt.<br />

Mit dieser Art der Anforderungsdefinition ist es möglich,<br />

die Umsetzung einer Eigenschaft über den gesamten<br />

Planungsprozess zu verfolgen. Beispielsweise kann eine<br />

geometrische Eigenschaft, wie der Platzbedarf von der<br />

ersten groben Anforderung bis zum mechanischen und<br />

elektrischen Einzelteil konsistent weitergereicht werden,<br />

wenn die entsprechende Eigenschaft mit derselben PropertySet-Rolle<br />

charakterisiert ist. In der ausgewählten<br />

Komponente kann die Anforderung auf untergeordnete<br />

grob spezifizierte Elemente weiterverteilt werden, die<br />

ihrerseits die Anforderungen durch Zuweisung konkreterer<br />

Elemente erfüllen.<br />

Wird eine Rolle von einem Bibliotheksobjekt unterstützt,<br />

wird das CAEX-Element SupportedRoleClass verwendet.<br />

Wird eine Anforderung mittels einer Rolle spezifiziert,<br />

wird das CAEX-Element RoleRequirements<br />

verwendet. Bild 6 enthält eine Darstellung der verwendeten<br />

CAEX-Elemente.<br />

PropertySets unterstützen den Datenaustausch zwischen<br />

verschiedenen Planungssystemen. Über ein Mapping<br />

können Zuordnungen zwischen proprietären, systemspezifischen<br />

Eigenschaften und standardisierten<br />

Eigenschaften der vordefinierten Rollenbibliothek gemacht<br />

werden. CAEX stellt dazu ein spezielles Mapping-<br />

Objekt zur Verfügung. Ein Datenimporter, der eine AutomationML<br />

formatierte Datei erzeugt, kann mit Hilfe<br />

des Mapping-Objekts und den standardisierten PropertySet-Rollen<br />

diese Zuordnungen erzeugen, wie in Bild 7<br />

schematisch dargestellt ist.<br />

Das Mapping auf ein anderes Merkmalssystem (zum<br />

Beispiel Prolist [10]) würde in genau derselben Weise funktionieren.<br />

Das Mapping in CAEX ist auf eine Namenszuordnung<br />

eingeschränkt, Einheitenkonvertierungen oder<br />

andere Umrechnungen sind Leistungen der verwendeten<br />

Softwaretools. Durch die Verwendungen von SI-Einheiten<br />

in der Definition der Standardrollen kann zumindest eine<br />

Einheitenumrechnung automatisch erfolgen.<br />

Planungsobjekt<br />

kt<br />

Anforderung durch Rolle<br />

definiert<br />

Spezifizierung<br />

im nächsten<br />

Schritt<br />

unterstützte Rolle<br />

Planungsobjekt<br />

kt<br />

Anforderung durch Rolle<br />

definiert<br />

Spezifizierung<br />

im nächsten<br />

Schritt<br />

unterstützte Rolle<br />

Planungsobjekt<br />

kt<br />

Anforderung durch Rolle<br />

definiert<br />

Spezifizierung<br />

im nächsten<br />

Schritt<br />

SystemUnitClass:<br />

MechatronicUnit<br />

InternalElement:<br />

Electrical Part<br />

RoleRequirement:<br />

„PropertySet/…/Size“<br />

Gefordertes<br />

Merkmal<br />

SupportedRoleClass:<br />

„PropertySet/…/Size“<br />

Erfülltes<br />

Merkmal<br />

generisch …….. konkret<br />

InternalElement:<br />

Electrical Part<br />

RoleRequirement:<br />

„PropertySet/…/Size“<br />

Gefordertes<br />

Merkmal<br />

Planungsstandard<br />

Mechatronische Komponenten<br />

Geräte<br />

Funktion und<br />

Struktur<br />

Merkmale<br />

Erfüllte Merkmale<br />

Mechanische<br />

Baugruppen<br />

Merkmale<br />

Elektrische<br />

Baugruppen<br />

Merkmale<br />

Steuerung<br />

Merkmale<br />

Erfüllte Merkmale<br />

BILD 6: Struktur einer Mechatronischen Einheit<br />

in einer Planungsbibliothek<br />

Konzeption …….. Realisierung<br />

BILD 5: Unterstützung der schrittweisen Spezifizierung durch Rollen<br />

66<br />

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4. Verwandtschaften zu Merkmalsystemen<br />

Wie bereits erwähnt, ist die Beschreibung von Geräten<br />

und Systemen auf Basis von Merkmalen mittlerweile<br />

Stand der Technik. Das Handling, die Strukturierung und<br />

die Klassifizierung dieser Merkmale werden in standardisierten<br />

Merkmalsystemen beschrieben. Die Normreihe<br />

IEC 61360 und ISO 13584 haben dabei eine besondere<br />

Bedeutung. Sie bilden die strukturelle Basis für die Merkmalsysteme<br />

[9], vor allem für ecl@ss und Prolist [10]. Die<br />

Ordnung der Inhalte wird dabei in Form von Merkmalsleisten<br />

beschrieben, welche in der Praxis als lineare Zusammenstellung<br />

von Merkmalen verstanden werden und<br />

in der Namur-Empfehlung NE 100 und der Norm IEC<br />

61987-1 detaillierter beschrieben ist [11]. Insbesondere die<br />

Typisierung von Merkmalsleisten zur Berücksichtigung<br />

und Unterscheidung administrativer (AML; nicht zu verwechseln<br />

mit AutomationML), kommerzieller (KML),<br />

geräte- (GML) und umgebungsspezifischer (BML) Merkmalsaspekte<br />

spielt in der Praxis eine bedeutende Rolle.<br />

Neben den verschiedenen Aspekten der Merkmalsleisten<br />

gibt es mit dem Konzept der Blockstruktur eine weitere<br />

Möglichkeit, die Überschaubarkeit, ab einer gewissen<br />

Anzahl von Merkmalen, in einer Merkmalsleiste zu gewährleisten.<br />

Ein Block ist dabei nach Empfehlung der<br />

Namur (NE 100) eine „ … Zusammenfassung von Merkmalen,<br />

die eine Abstraktion einer komplexen Eigenschaft<br />

eines Gerätetyps beschreiben.“ [11]<br />

Ein Merkmal hat charakterisierende Attribute. Die<br />

Kennung ist eine eindeutige Identifikation eines Merkmals,<br />

weil in unterschiedlichen Domänen und sprachabhängig<br />

die Benennung variieren kann. Die Bedeutung<br />

des Merkmals wird durch die Definition und/oder einen<br />

Verweis auf eine Norm oder andere Quelle festgelegt. Die<br />

quantitative Aussage ist in einer Werteliste und dem<br />

Werteformat hinterlegt, die durch die Maßeinheit vervollständigt<br />

wird. Die Normreihe IEC 61360 beschreibt<br />

weitere Attribute wie Formelzeichen, Symbol oder Beziehung<br />

zu anderen Merkmalen.<br />

Es gibt eine Vielzahl von standardisierten Merkmalsystemen<br />

für verschiedene Aspekte von zumeist industriellen<br />

Produkten (das heißt Betriebsmitteln, zum Beispiel Elektrogeräte<br />

und Materialien, mechanische Konstruktionselemente).<br />

Entstanden sind diese Merkmalsysteme zur Unterstützung<br />

für die elektronische Abwicklung von Beschaffungsprozessen<br />

und um eine gemeinsame Sprache zur<br />

Kunden-Lieferanten-Kommunikation zu etablieren. Ein<br />

besonderer Wert liegt in der Definition und damit semantisch<br />

eindeutigen, produktunabhängigen Festlegung tausender<br />

Merkmale, die die Eigenschaften der Betriebsmittel<br />

abbilden. Dadurch können diese standardisierten Merkmale<br />

auch in Engineering-Lebenszyklusphasen außerhalb des<br />

Beschaffungsprozesses eingesetzt werden und bieten insbesondere<br />

CAE-Integratoren (zum Beispiel Systemhersteller,<br />

Planungsdienstleiser) großes Potenzial, den Austausch<br />

von Planungsinformationen effizienter zu gestalten.<br />

SystemUnitClass: Robot<br />

Attribute: Weight<br />

InternalElement:<br />

PropertySet<br />

BILD 7:<br />

Attribut-Mapping<br />

MappingObject<br />

RoleRequirement :<br />

RoleClassRef: PropertySet<br />

Weight<br />

Gewicht<br />

Attribute: Gewicht<br />

Basic<br />

Engineering<br />

•AML<br />

•BML<br />

•GML<br />

•KML<br />

Anfrage<br />

•AML<br />

•BML<br />

•GML<br />

•KML<br />

Angebot<br />

•AML<br />

•BML<br />

•GML<br />

•KML<br />

Auswahl<br />

•AML<br />

•BML<br />

•GML<br />

•KML<br />

Detail<br />

Engineering<br />

•AML<br />

•BML<br />

•GML<br />

•KML<br />

BILD 8: Nutzung der<br />

Typen von Merkmalsleisten<br />

im Projektfortschritt<br />

[11]<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

67


Hauptbeitrag | Automation 2011<br />

So werden bereits bei einigen Herstellern die Produktdatenbanken<br />

auf der Basis von Merkmalen aufgebaut, um die<br />

engen Beziehungen zwischen der technischen Dokumentation,<br />

der Produktion und den Bestellvorgängen besser<br />

handhaben zu können. Beispiele dafür sind die Auslegung<br />

von Kommunikationsnetzwerken auf der Basis der Merkmale<br />

der Kommunikationsteilnehmer (wie unterstützte<br />

Baudraten, Antwortzeiten und Datenlängen von Mess-,<br />

Steuerungs- und Stellgeräten), die Ermittlung der Taktzeit<br />

von Fertigungszellen auf der Basis der Merkmale der eingesetzten<br />

Betriebsmittel und des Fertigungsprozessablaufes.<br />

Das in den Abschnitten 1 und 3 behandelte Konzept<br />

zur Beschreibung mechatronischer Objekte baut darauf<br />

auf und unterstützt neben einem strukturierten Vorgehen<br />

bei der Planung auch die semantisch validierte Beschreibung<br />

und den Austausch dieser Planungsobjekte [12].<br />

Unabhängig vom Anwendungsfeld verfolgt die Idee der<br />

Rolle „PropertySet“ den gleichen Grundgedanken wie<br />

die Merkmalsysteme ecl@ss und Prolist, nämlich die<br />

Nutzung und Verbreitung standardisierter technischer<br />

Daten in Form von Merkmalen. Die Verwendung der Rolle<br />

„PropertySet“ unterstützt dabei den Umgang mit standardisierten<br />

Merkmalsystemen teilweise in struktureller<br />

und auch in semantischer Hinsicht. Die durch das Rollenkonzept<br />

implizierte Klassifikation lässt sich auf<br />

oberster Ebene der AutomationML-PropertySetRole-<br />

ClassLib auf die Typisierung der Merkmalsleisten abbilden.<br />

In den darunter liegenden Ebenen wird die Verfeinerung<br />

der Merkmale durch generelle oder spezifische<br />

Rollen ähnlich der Bildung von Merkmalsleisten mit<br />

Blockstruktur abgebildet. Ein Teil der in der IEC 61360<br />

beschriebenen Attribute, die ein Merkmal mit einer<br />

quantitativen Aussage belegen, finden sich ebenfalls im<br />

AutomationML Rollenkonzept wieder und können somit<br />

genutzt werden, um die Ausprägung der Merkmale zu<br />

beschreiben.<br />

Referenzen<br />

Autoren<br />

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

Engineering Practice, Vol.10, no.8, pp.877-886, Aug. 2004<br />

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

System Engineering with Mechatronical Units, 15th IEEE International<br />

Conference on Emerging Technologies and Factory Automation<br />

(ETFA 2010), Bilbao, Spain, September 2010, Proceedings-CD<br />

[3] M. Gehrke: Entwurf mechatronischer Systeme auf Basis von Funktionhierarchien<br />

und Systemstrukturen, Promotion, Paderborn, Oktober 2005<br />

[4] J. Kiefer: Mechatronikorientierte Planung automatisierter Fertigungs -<br />

zellen im Bereich Karosserierohbau, Promotion, Univ. des Saarlandes,<br />

Saarbrücken, 2007<br />

[5] K. Thramboulidis: “Challenges in the Development of Mechatronic<br />

Systems: The Mechatronic Component”, 13th IEEE Int. Conf. on Emerging<br />

Technologies and Factory Automation (ETFA’08), Sept. 2008, Hamburg,<br />

Germany, Proceedings<br />

[6] Verein Deutscher Ingenieure: VDI-Richtlinie 2206 - Entwicklungsmethodik<br />

für mechatronische Systeme, Düsseldorf, 2004<br />

[7] DIN 2342 - Begriffe der Terminologielehre, Beuth Verlag, September 2004<br />

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

Datenaustausch in der Anlagenplanung mit AutomationML . - Heidelberg<br />

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

[9] International Electrotechnical Commission: IEC 61360 - Standard data<br />

element types with associated classification scheme for electric<br />

components - Part 1: Definitions - Principles and methods.<br />

Edition 2.1, Part 2: Component Data Dictionary (2004)<br />

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

eCl@ss – Kapitel 2 - <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> 9/2010<br />

[11] Namur – Interessengemeinschaft Automatisierungstechnik der Prozessindustrie;<br />

NE 100 - Nutzung von Merkmalleisten im PLT-Engineering-<br />

Workflow - Version 3 (2006)<br />

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

technologies in engineering processes for manufacturing systems.<br />

10th IFAC Workshop on Intelligent Manufacturing Systems, Lisbon/<br />

Portugal, 1.-2.07.2010. Proceedings<br />

Dipl.-Inform. Josef Prinz (geb. 1957) studierte von<br />

1978 bis 1984 Diplom-Informatik an der Universität<br />

Dortmund. Seit 1987 ist er Mitarbeiter der INPRO<br />

GmbH in Berlin. Er betreut Projekte für die Automobilindustrie<br />

im Bereich Anlagenplanung und Planung<br />

und Optimierung von Logistiksystemen. Sein fachlicher<br />

Schwerpunkt liegt in der Material flusssimulation,<br />

der Datenintegration und der Digitalen Fabrik.<br />

INPRO Innovationsgesellschaft für fortgeschrittene<br />

Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH,<br />

Hallerstraße 1; D-10587 Berlin,<br />

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

PD Dr.-Ing. habil. Arndt Lüder (1968) arbeitete von<br />

1995 bis 2000 an der Otto-von-Guericke Universität<br />

Magdeburg und später an der Martin-Luther-Universität<br />

Halle-Wittenberg. An letzterer erlangte er 2000 den Titel<br />

eines Dr.-Ing. Seit 2001 arbeitet er am IAF und IMS der<br />

Otto-von Guericke Universität, wo er 2007 zum Thema<br />

"Verteilte Steuerungssysteme" habilitierte. Das Hauptarbeitsgebiet<br />

von Arndt Lüder ist die Anwendung innovativer<br />

Technologien auf dem Gebiet der Fabrikautomation.<br />

Neben diesen Forschungsarbeiten ist er in die<br />

Arbeit der Arbeitsgruppe "Agenten in der Automation"<br />

der GMA sowie als Vorstand in die Arbeit des AutomationML<br />

e.V. involviert.<br />

Otto-v.-Guericke Universität Magdeburg,<br />

Fakultät Maschinenbau, Institut für Mobile Systeme<br />

& Institut für Arbeitswissenschaft, Fabrikautomatisierung<br />

und Fabrikbetrieb Center Verteilte Systeme, Gebäude 10,<br />

Raum 437, Universitätsplatz 2, D-39106 Magdeburg,<br />

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

68<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


5. Fazit und Ausblick<br />

Ziel von AutomationML ist, die Schaffung eines durchgängigen<br />

Engineerings durch ein standardisiertes Datenaustauschformat.<br />

Spezielle PropertySet-Rollen für die<br />

Charakterisierung von mechatronischen Einheiten erlauben<br />

es künftig, Anforderungen und Spezifikationen<br />

mechatronischer Einheiten auszutauschen und so<br />

Schnittstellen zwischen der Anlagenplanung und den<br />

Beschaffungsprozessen zu realisieren. Der systemunabhängige<br />

Aufbau mechatronischer, modularer Komponentenkataloge<br />

wird unterstützt, die Verwendung der<br />

Kataloge im Planungsprozess und die Integration in die<br />

verwendeten Planungssysteme über spezifische Mappings<br />

sind möglich.<br />

Manuskripteingang<br />

06.Juni 2011<br />

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Dipl.-Wirt.-Inform. Nico Suchold (geb. 1977)<br />

arbeitet seit 2007 am ifak – Institut für Automation<br />

und Kommunikation e.V. Magdeburg<br />

und leitet dort den Forschungsschwerpunkt<br />

„Angewandte Informationstechnologien“ im<br />

Bereich „IT & Automation“. Im Umfeld der<br />

Automatisierungssysteme beschäftigt er sich<br />

mit der modellbasierten Integration digitaler<br />

Planungsergebnisse für eine optimierte<br />

virtuelle Inbetriebnahme.<br />

ifak -Institut f. Automation<br />

und Kommunikation e.V.<br />

Magdeburg Werner-Heisenberg-Str. 1<br />

D-39106 Magdeburg,<br />

Tel. +49 (0) 391 9901474,<br />

E-Mail: nico.suchold@ifak.eu<br />

Dr.-Ing. Rainer Drath (geb. 1970) ist Senior<br />

Principal Scientist im ABB Forschungszentrums<br />

Deutschland in Ladenburg. Er beschäftigt sich<br />

mit der Entwicklung neuer Konzepte und<br />

Methoden zur Verbesserung des Engineerings<br />

von Automatisierungssystemen<br />

ABB Forschungszentrum Deutschland<br />

Wallstadter Straße 59,<br />

D-68526 Ladenburg,<br />

Tel. +49 (0) 6203 71 64 71,<br />

E-Mail: rainer.drath@de.abb.com<br />

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hauptbeitrag<br />

Synergien zwischen Medizinund<br />

Automatisierungstechnik<br />

am Beispiel UV-Behandlung von Hautkrankheiten<br />

Der Beitrag stellt eine neuartige Behandlung vor, bei der über ein Bilderkennungsverfahren<br />

erkrankte Hautpartien erkannt und dann über eine Bestrahlungseinheit nur diese erkrankten<br />

Partien mit UV-Licht bestrahlt werden. Die gesunden Partien werden nicht bestrahlt<br />

und somit geschont. Aus der Automatisierungstechnik gewonnene Verfahren und Erkenntnisse<br />

sind erfolgreich auf ein Projekt der Medizintechnik angewandt worden.<br />

SCHLAGWÖRTER Synergie / Medizintechnik / Automatisierungstechnik / UV-Behandlung /<br />

Hautkrankheit<br />

Synergies between Automation Technology and Medical Engineering<br />

using the example of UV-treatment of skin diseases<br />

This article describes how experience gained in the automation domain was successfully<br />

used for the development of the medical device for the UV treatment of skin diseases.<br />

KEYWORDS synergy / medical engineering / automation technology / UV treatment /<br />

skin diseases<br />

70<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


Karl-Heinz Niemann, Oliver Schmerling, Fachhochschule Hannover,<br />

Friedrich Lüllau, Lüllau Engineering GmbH<br />

In der Bundesrepublik Deutschland sind, laut Angabe<br />

des statistischen Bundesamtes, 2 bis 3% der Bevölkerung,<br />

also etwa 2 Millionen <strong>Mensch</strong>en an Schuppenflechte<br />

(Psoriaris) erkrankt [1]. Bei dieser Krankheit<br />

bilden sich auf der Haut unregelmäßige Erkrankungsherde.<br />

Bild 1 zeigt ein typisches Erkrankungsbild.<br />

Eine der möglichen Behandlungsmethoden sieht die<br />

Bestrahlung der Haut mit UV-Licht vor. Bisher wurde<br />

hierbei in der Regel der gesamte Körper der zu behandelnden<br />

Person bestrahlt. Dies hat zur Folge, dass sowohl<br />

die erkrankte als auch die gesunde Haut der UV-<br />

Strahlung ausgesetzt wird. Da die Behandlung üblicherweise<br />

regelmäßig wiederholt werden muss, führt<br />

die regelmäßige aber ungewollte Bestrahlung der gesunden<br />

Hautpartien zu Hautalterung und gegebenenfalls<br />

auch zur Entwicklung von Hautkrebs. Im Folgenden<br />

wird ein neuartiges Behandlungsverfahren beschrieben,<br />

bei dem über ein Bilderkennungsverfahren<br />

erkrankte Hautpartien erkannt und dann über eine Bestrahlungseinheit<br />

nur diese erkrankten Partien mit UV-<br />

Licht bestrahlt werden. Die gesunden Partien werden<br />

nicht bestrahlt und werden somit geschont.<br />

1. Technisches Konzept<br />

Bild 2 zeigt das realisierte Bestrahlungsgerät. Der zu behandelnde<br />

Patient liegt auf einer Liege. Darüber ist der<br />

Bestrahlungskopf mit integrierter Kamera platziert.<br />

Der obere waagerechte Holm lässt sich über Gelenke positionieren<br />

und zusätzlich neigen. In den Holm integriert<br />

ist die Belichtungseinheit. Diese besteht aus einer modulierbaren<br />

UV-Strahlenquelle und einem Kamerasystem.<br />

Durch die realisierten Freiheitsgrade lässt sich die Belichtungseinheit<br />

über der zu behandelnden Person verfahren,<br />

um so den Patienten, bei großflächigen Erkrankungen, in<br />

mehreren Teilvorgängen bestrahlen zu können.<br />

Die in der Belichtungseinheit integrierte Kamera erfasst<br />

die Hautoberfläche. Über einen Erkennungsalgorithmus<br />

werden die erkrankten Hautpartien identifiziert<br />

und es wird daraus eine Belichtungsmaske berechnet.<br />

Diese Belichtungsmaske definiert auf welche Hautpartien<br />

UV-Licht appliziert werden soll und auf welche nicht.<br />

Diese Belichtungsmaske wird einem Digital Mirror Device<br />

(DMD) in der Belichtungseinheit übergeben. Die in<br />

Bild 3 dargestellte Belichtungseinheit besteht neben dem<br />

DMD aus der UV-Lichtquelle, einem Kondensor zur Bündelung<br />

des Lichtes und einem Projektionsobjektiv.<br />

Das UV-Licht der Lichtquelle wird auf das DMD projiziert.<br />

Dieses besteht aus einer Matrix von 1024 mal 768<br />

mikroskopisch kleinen Spiegeln. Die Spiegelmatrix kann<br />

durch die Software des Steuerrechners so beeinflusst werden,<br />

dass entweder das Licht des Pixels auf den Patienten<br />

fällt, oder durch Drehung des Spiegels in einen Absorber<br />

geleitet wird. Mit Hilfe dieser Anordnung kann die aus<br />

dem Bild berechnete Belichtungsmaske auf den Patienten<br />

projiziert werden. DMDs kommen heute in Videoprojektoren<br />

zum Einsatz (DLP-Projektoren) und erzeugen dort<br />

in Verbindung mit einem Farbrad farbige Bilder. In diesem<br />

Projekt erzeugt das DMD ein einfarbiges Bild (Licht / kein<br />

Licht) Durch eine zeitliche Modulation der Spiegelneigung<br />

eines jeden einzelnen Spiegels können bis zu 256<br />

unterschiedliche Helligkeitswerte erzeugt werden. Da<br />

herkömmliche DMDs der UV-Strahlung nicht standhalten,<br />

kommen spezielle UV-feste DMD-Typen zum Einsatz.<br />

Während des Bestrahlungsvorganges überwacht die<br />

Kamera Bewegungen der zu behandelnden Person und<br />

führt die Belichtungsmaske entsprechend nach. Ein<br />

Streifenprojektionsverfahren soll künftig zusätzlich die<br />

Höhentopologie der zu behandelnden Person erfassen<br />

und ein entsprechender Software-Algorithmus wird<br />

dann unter Kenntnis des Höhenprofils Intensitätsunterschiede<br />

in der Bestrahlung ausgleichen.<br />

2. Synergien zwischen Medizin- und<br />

Automatisierungstechnik<br />

Das technische Prinzip des Gerätes wurde im Rahmen<br />

des BMBF-Projektes UVUV [2] erarbeitet. Die derzeitige<br />

Entwicklung des ersten seriennahen Prototypen<br />

wird über das BMWi Projekt UVST gefördert. Momen-<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

71


Hauptbeitrag | Automation 2011<br />

BILD 1: Erscheinungsbild der Schuppenflechte<br />

BILD 2:<br />

Bestrahlungsgerät<br />

BILD 4:<br />

Verfahren zum<br />

Erkennen erkrankter<br />

Hautpartien<br />

Chroma (Farbsättigung)<br />

Hue (Farbtonwinkel)<br />

BILD 3: Strahlengang im<br />

Bestrahlungskopf.<br />

BILD 5: Vereinfachte Klassifizierung von<br />

Bildpixeln in gesunde und kranke Haut<br />

72<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


Aufgabe<br />

Erfassung der erkrankten Hautpartien<br />

über Kamerasystem<br />

Verfolgung von Patientenbewegungen<br />

in Echtzeit<br />

Ermitteln der Höhentopologie der<br />

zu behandelnden Person<br />

Entwicklung der PC-basierten<br />

Steuer software, Integration von<br />

Kamera und DMD-Treibern<br />

Hardwareentwicklung des Steuer-<br />

Rechners für die Erfassung von<br />

Messsignalen und für die Ansteuerung<br />

der Antriebe über seriellen<br />

Bus sowie zur Kommunikation<br />

über seriellen Bus mit dem<br />

Leitrechner<br />

Entwicklung von Software gemäß<br />

den sicherheitstechnischen<br />

Anforderungen der Medizintechnik<br />

Beherrschung des Softwarelebenszyklus<br />

für sicherheitsgerichtete<br />

Systeme<br />

Verwaltung der Patienten- und<br />

Bilddaten in einer Datenbank<br />

Erfassung von Messsignalen für<br />

Temperaturen, Positionen,<br />

Strahlungsdichten<br />

Integration komplexer Hard- und<br />

Softwaresysteme<br />

Erforderliche Kompetenz<br />

im Projekt<br />

Kenntnisse in der Bildverarbeitung.<br />

Erkennung von Kanten und<br />

Strukturen<br />

Kenntnisse in der Echtzeit-<br />

Bilddaten verarbeitung<br />

Verfahren zur optischen Messung<br />

von Höhenprofilen über Streifenprojektiontion<br />

Kenntnisse in der Programmierung<br />

von SW-Systemen in C# unter<br />

Windows für die Visualisierung von<br />

Prozessdaten und die Entwicklung<br />

grafischer Bedienoberflächen<br />

Kenntnisse in der Hardware-Entwicklung<br />

eingebetteter Systeme<br />

mit serieller Kommunikation zum<br />

überlagerten System<br />

Beherrschung des einschlägigen<br />

Normenwerkes, z.B. Anwendung<br />

des Risikomanagements für<br />

Medizinprodukte DIN EN ISO<br />

14971, Anwendung der Gebrauchstauglichkeit<br />

auf Medizin produkte<br />

DIN EN 62366<br />

Beherrschung der entsprechenden<br />

Normen für Software-<br />

Lebenszyklus nach DIN EN 62304<br />

Datenbankanwendung unter<br />

Nutzung eines SQL-Servers<br />

Beherrschung der entsprechenden<br />

Messverfahren zur Einbindung der<br />

Messstellen<br />

Integration von Mechanik, Elektronik,<br />

Echtzeitsoftware und PC-Software<br />

zu einem funktionierenden<br />

Gesamtgerät<br />

Verwandtes Arbeitsgebiet in der<br />

Automatisierungstechnik<br />

Optische Prüfung von Werkstücken<br />

in der Fertigungstechnik<br />

Erfassung und Verfolgung von<br />

Bauteilen in Fertigungsprozessen<br />

in Echtzeit über Kamerasysteme<br />

Optische Vermessung von Werkstücken<br />

mittels Streifenprojek<br />

Entwicklung von Bedien- und<br />

Beobachtungsstationen für<br />

Prozessleitsysteme. Einbindung<br />

von Kamerasystemen für die<br />

Prozessüberwachung und von<br />

Projektionssystemen für die<br />

Prozessvisualisierung<br />

Entwicklung von echtzeitfähigen<br />

eingebetteten Systemen mit<br />

serieller Kommunikation zu<br />

unter- und über geordneten<br />

Systemen<br />

Entwicklung von sicherheitsgerichteten<br />

Systemen nach IEC 61508<br />

Realisierung des Software<br />

Leben szyklus für die Entwicklung<br />

von sicherheitsgerichteten<br />

Systemen nach IEC 61508 Teil 3<br />

Datenbankapplikationen zur<br />

Erfassung von Daten in Produktionsprozessen,<br />

z. B. in MES-Systemen<br />

Messtechnik in Prozessautomatisierungssystemen<br />

Integration von mechatronischen<br />

Komponenten mit verteilten<br />

Automatisierungssystemen<br />

TABELLE 1: Synergien Medizin- und Automatisierungstechnik<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

73


Hauptbeitrag | Automation 2011<br />

BILD 6: Erkennung über dynamischen Schwellenwert<br />

BILD 7: Erkennung über Support Vector Machine<br />

BILD 8: Verfahren zur<br />

Patientenverfolgung<br />

tan ist ein erstes Muster des seriennahen Standes im<br />

Zulassungsverfahren.<br />

An dem bisher beschriebenen Funktionsprinzip lässt<br />

sich erkennen, dass sich ein solches Gerät nur in einem<br />

interdisziplinären Team entwickeln lässt. Neben<br />

Kenntnissen im Maschinenbau und in der technischen<br />

Optik sind auch Qualifikationen im Bereich der Elektronik,<br />

der Bildverarbeitung, des Software-Engineering<br />

und der Sicherheitstechnik gefragt. In der Regel sind<br />

Automatisierungstechniker nicht in Medizintechnikprojekten<br />

tätig. In der vorliegenden Projektkonstellation<br />

ergab es sich jedoch, dass sich das Fachgebiet Prozessinformatik<br />

und Automatisierungstechnik der FH-<br />

Hannover in das Projekt einbringen konnte, obwohl der<br />

bisherige Schwerpunkt der Aktivitäten nicht im Bereich<br />

der Medizintechnik lag. Nach einer ersten Analyse<br />

der Aufgabenstellung kristallisierten sich eine<br />

Reihe von Ansatzpunkten heraus, bei denen Kenntnisse<br />

aus dem Bereich Automatisierungstechnik in das<br />

Projekt nutzbringend eingesetzt werden konnten.<br />

Die Tabelle 1 zeigt, dass viele Aufgabenstellungen im<br />

Projekt Entsprechungen in der Automatisierungstechnik<br />

aufweisen. Hierdurch war es möglich, vorhandene Kompetenzen<br />

in das Projekt einzubringen, obwohl die Aufgabenstellung<br />

aus einer grundsätzlich anderen Problemdomäne<br />

stammt. Gerade die Kenntnisse im Bereich der<br />

Entwicklung sicherheitsgerichteter Hard- /Softwaresysteme<br />

konnten gut in das Projekt eingebracht werden. Hier<br />

sind die Anforderungen der Medizintechnik ähnlich denen<br />

der Sicherheitstechnik in der Prozessautomatisierung.<br />

In beiden Fällen geht es darum, Personen und Anlagen<br />

im Falle einer Fehlfunktion vor Schaden zu bewahren.<br />

3. Beispiele für angewandte Verfahren<br />

3.1 Erkennung erkrankter Hautpartien<br />

Die Erkennung der erkrankten Hautpartien über ein Bildverarbeitungssystem<br />

ist eine der wesentlichen Komponenten<br />

des Bestrahlungssystems. Die Bildinformation wird<br />

über ein Kamerasystem, welches auch in der industriellen<br />

Bildverarbeitung eingesetzt wird, eingelesen. Probleme bei<br />

der Erkennung der erkrankten Flächen sind dabei:<br />

Helligkeitsverläufe im Bild durch Kontur des<br />

menschlichen Körpers<br />

Fremdlichteinwirkung durch Tageslicht,<br />

Deckenlicht<br />

Unterschiedlichen Hauttypen (hell, dunkel)<br />

zeigen unterschiedliche Krankheitsbilder<br />

Bild 4 zeigt das implementierte Verfahren zur Erkennung<br />

der erkrankten Hautpartien. Ein Medianfilter glättet das<br />

Bild zunächst, um kleinere Hautunregelmäßigkeiten zu<br />

entfernen, welche bei den nachfolgenden Bearbeitungsschritten<br />

stören würden. Im nächsten Schritt wird nur<br />

der für die Erkennung relevante Farbbereich (Hauttöne)<br />

ausgewählt. Danach erfolgt über eine Support Vector Machine<br />

(SVM) [3] eine Klassifizierung der Bildpixel. Die<br />

SVM teilt über ein Klassifizierungsverfahren die Bildpixel<br />

in die zwei Klassen „gesunde Haut“ und „erkrankte Haut“<br />

ein. Hierbei werden die Bildpixel in einem Vektorraum<br />

abgelegt und durch eine Hyperebene getrennt.<br />

Bild 5 veranschaulicht an einem vereinfachten Beispiel,<br />

wie man die Bildinformationen durch eine Grade in zwei<br />

74<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


Klassen trennen kann. Die Grade dient also zur Klassifizierung<br />

der Pixel in „gesund“ und „erkrankt“. Abschließend<br />

werden die gefundenen Hautpartien noch über die Auswahl<br />

bestimmter Sättigungswerte weiter verfeinert. Das vorgestellte<br />

Verfahren unter Nutzung der SVM ist einfachen Algorithmen,<br />

wie beispielsweise einem Schwellenwertverfahren,<br />

deutlich überlegen. Beleuchtungsabhängige Helligkeitsverläufe<br />

oder starke Körperbehaarung stören die Erkennung<br />

kaum. Darüber hinaus lässt sich das Verfahren auf<br />

unterschiedlichen Hauttypen (hell /dunkel) trainieren.<br />

Bild 6 zeigt die Erkennungsrate eines Schwellenwertverfahrens.<br />

Der Lichtabfall am rechten Bildrand und<br />

am Arm des Patienten führt zu Fehlerkennungen. Im<br />

Vergleich dazu ist in Bild 7 die Erkennung unter Nutzung<br />

der Support Vector Machine dargestellt. Die Erkennung<br />

ist deutlich verbessert, auch bei starker Körperbehaarung<br />

des Patienten. In automatisierungstechnischen<br />

Anwendungen kommen Support Vector Machines<br />

beispielsweise bei der nichtlinearen Modellbildung<br />

technischer Prozesse zum Einsatz [4].<br />

3.2 Patientenverfolgung<br />

Die Bestrahlung der erkrankten Hautpartien liegt im Minutenbereich<br />

und kann in Einzelfällen bis zu 20 Minuten<br />

andauern. Während dieser Zeit sind leichte Bewegungen<br />

der zu behandelnden Person nicht auszuschließen. Diese<br />

Bewegungen führen bei laufender Bestrahlung dazu, dass<br />

sich das Bestrahlungsfeld und die erkrankte Hautpartie<br />

nicht mehr decken. Gesunde und relativ UV-empfindliche<br />

Haut würde bestrahlt. Aus diesem Grund ist es erforderlich,<br />

Bewegungen des Patienten zu erfassen und die Belichtungsmaske<br />

der Bewegung nachzuführen. Um die im<br />

medizinischen Bereich nötige hohe Genauigkeit der Nachverfolgung<br />

zu gewährleisten, wird zurzeit mit einem markerbasierten<br />

Verfahren gearbeitet. Ein rechteckiger grüner<br />

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

dient hierbei als Markierung zur Verfolgung<br />

der Patientenbewegungen.<br />

Das Verfahren zur Patientenverfolgung ist in Bild 8<br />

dargestellt. Da eine grüne Markierung verwendet<br />

wird, wird zunächst die Grüninformation aus dem<br />

Bild extrahiert und mit Hilfe der Rot- und Blaukanäle<br />

normalisiert, um eine Unabhängigkeit von der Beleuchtung<br />

zu erhalten. In einem weiteren Schritt werden<br />

über ein Kantenerkennungsverfahren (Difference<br />

Edge Detector) alle Kanten im Bild extrahiert. Eine<br />

nachgeschaltete Bilderkennung identifiziert zusammenhängende<br />

Objekte im Konturenbild und entfernt<br />

diejenigen, die nicht den spezifizierten Kriterien, wie<br />

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Datum, Unterschrift<br />

Kontonummer<br />

PAISO12010


Hauptbeitrag | Automation 2011<br />

zum Beispiel einer bestimmten Größe, entsprechen.<br />

Danach wird geprüft, ob das erkannte Gebilde die<br />

Form eines Recheckes mit einem definierten Höhen-/<br />

Seitenverhältnis aufweist. Ist die Form erkannt worden,<br />

wird die Position (beispielsweise die Mitte des<br />

Rechtecks) als Koordinate bestimmt.<br />

Um die Sicherheit des Verfahrens zu gewährleisten,<br />

werden während des Vorgangs laufend Plausibilitätskontrollen<br />

durchgeführt. Die erkannten Koordinaten werden<br />

nur übernommen, sofern ein genau passendes Objekt in<br />

dem aktuellen Bild gefunden wurde. Das Verfahren erlaubt<br />

die Verfolgung von Bewegungen der Markierfläche.<br />

Translation, Rotation und Entfernungsänderung werden<br />

erkannt. Die Grundidee für das Verfahren stammt aus<br />

der Glyphen-Erkennung- und Verfolgung. Glyphen können<br />

in der Robotik unter anderem zur Navigation und<br />

zur Übermittlung von Kommandos an <strong>Roboter</strong> verwendet<br />

werden [5]. Aber auch Anwendungen in der Automatisierungstechnik<br />

zum Beispiel bei der Produktidentifikation<br />

sind möglich. Hier können Scanner aus einem<br />

Kamerabild 2D-Barcodes extrahieren, die an einer beliebigen<br />

Stelle im Bild angebracht sein können.<br />

Zusammenfassung<br />

Methoden und Verfahren der Automatisierungstechnik<br />

sind auch für die Entwicklung medizintechnischer<br />

Geräte einsetzbar. Gerade die Verfahren zur Entwicklung<br />

komplexer, echtzeitfähiger Systeme lassen sich<br />

sinnvoll einsetzen. Know-how aus der Entwicklung<br />

von sicherheitsgerichteten Systemen konnte in ähnlicher<br />

Art wieder verwendet werden. Die Softwarelebenszyklen<br />

sind sehr ähnlich, die Anforderungen an<br />

die Software vergleichbar. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit<br />

zwischen Hochschulen und Firmen bietet<br />

eine Wissensbasis, in der die Teildisziplinen gut<br />

verzahnt werden konnten.<br />

Manuskripteingang<br />

10. Juni 2011<br />

Referenzen<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

[1] Traupe, H., Robra, B.-P.: Gesundheitsberichterstattung des<br />

Bundes, Heft 11, Schuppenflechte. Statistisches Bundesamt,<br />

Robert Koch Institut. 2002<br />

[2] Niemann, K.-H., Schmerling, O.: Abschlussbericht für das<br />

FH³-Forschungsprojekt: „Entwicklung eines umfeldschonenden<br />

Verfahrens zur UV-Behandlung von Hautkrankheiten<br />

(UVUV)“. Projekt gefördert vom BMBF, Förderkennzeichen<br />

1728A05. Hannover. 2009. Download: http://edok01.tib.<br />

uni-hannover.de/edoks/e01fb09/614271002.pdf<br />

[3] Abe, S.: Support Vector Machines for Pattern Classification.<br />

Springer Verlag, London. 2010<br />

[4] Vogt, M.: Support Vector Machines for Identification and<br />

Classification Problems in Control Engineering.<br />

VDI-Verlag, Düsseldorf , 2008<br />

[5] Kirillov, A.: Glyph’s Recognition.<br />

http://www.aforgenet.com/articles/glyph_recognition/<br />

Autoren<br />

Prof. Dr.-Ing. Karl-<br />

Heinz Niemann<br />

(Jahrgang 1959)<br />

vertritt seit dem Jahr<br />

2005 die Lehrgebiete<br />

Prozessinformatik<br />

und Automatisierungstechnik<br />

an der<br />

Fachhochschule<br />

Hannover. Von 2002 bis 2005 war er an<br />

der Fachhochschule Nordostniedersachsen<br />

für das Lehrgebiet Prozessdatenverarbeitung<br />

verantwortlich. Davor war er<br />

in leitender Stellung in der Entwicklung<br />

von Prozessleitsystemen unter anderem<br />

bei ABB, Elsag Bailey und Hartmann &<br />

Braun tätig.<br />

Dipl.-Ing. Friedrich<br />

Lüllau (Jahrgang<br />

1955) ist geschäftsführender<br />

Gesellschafter<br />

der Lüllau<br />

Engineering GmbH.<br />

Seit 2009 betreibt er<br />

hauptberuflich das<br />

Ingenieurbüro<br />

Lüllau Engineering GmbH mit dem Ziel,<br />

daraus ein Industrieunternehmen der<br />

Medizintechnik zu formen. Seine<br />

Arbeitsschwerpunkte sind Technologie,<br />

Strategie und Produktdesign sowie<br />

Management, Marketing, Vertrieb und<br />

das Finanzwesen.<br />

Dipl.-Ing. (FH)<br />

Oliver<br />

Schmerling<br />

(Jahrgang 1978)<br />

arbeitet seit 2007 im<br />

Rahmen verschiedener<br />

Drittmittelprojekte<br />

als wissenschaftlicher<br />

Mitarbeiter<br />

an der Fachhochschule Hannover.<br />

Darunter auch an dem Projekt „Entwicklung<br />

eines medizinischen UV-<br />

Bestrahlungsgerätes mit Minimierung<br />

des Karzinomrisikos“ (UVST) sowie<br />

dem Forschungsprojekt „Umfeldschonende<br />

Behandlung von Hautkrankheiten<br />

mit UV-Licht“ (UVUV).<br />

Fachhochschule Hannover,<br />

Fachbereich Elektrotechnik,<br />

Postfach 92 02 61, D-30441 Hannover.<br />

Tel. +49 (0) 511 92 96 12 64,<br />

E-Mail: Karl-Heinz.Niemann@FH-Hannover.de<br />

Lüllau Engineering GmbH,<br />

Auf dem Schmaarkamp 21,<br />

D-21339 Lüneburg,<br />

Tel. +49 (0) 4131 70 97 99 71,<br />

E-Mail: fl@luellau-engineering.de<br />

Fachhochschule Hannover,<br />

Fachbereich Elektrotechnik,<br />

Postfach 92 02 61, D-30441 Hannover.<br />

Tel. +49 (0) 511 92 96 12 64,<br />

E-Mail: Oliver.Schmerling@FH-Hannover.de<br />

76<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


WISSEN für die ZUKUNFT<br />

Einzigartige Marktübersicht<br />

für PROFIBUS-Experten<br />

PROFIBUS<br />

Diagnose und Messungen<br />

Marktübersicht von Mess- und<br />

Diagnosegeräten für PROFIBUS DP/PA<br />

Dieses Anwenderhandbuch wendet sich an Errichter<br />

und Betreiber von PROFIBUS-basierten Automatisierungsanlagen,<br />

die eine Orientierung bei der Auswahl<br />

passender Mess- und Diagnosewerkzeuge benötigen.<br />

In diesem Werk werden Messgeräte beschrieben, die bei<br />

der Inbetriebnahme und Fehlersuche von PROFIBUS DP<br />

und PA-Netzwerken verwendet werden. Die am Markt<br />

erhältlichen Mess- und Diagnosegeräte werden in Klassen<br />

eingeteilt und in tabellarischer Form verglichen. Eine<br />

Kurzbeschreibung mit Abbildung für jedes Gerät ergänzt<br />

die Marktübersicht. Wegen der übersichtlichen Darstellung<br />

ist es einfach, detaillierte Informationen zu recherchieren<br />

und zu vergleichen, um das optimale Gerät auszuwählen.<br />

Sämtliche Messgeräte wurden eigens beschafft und<br />

eingehend getestet.<br />

Das Buch verschafft PROFIBUS-Anwendern einen einzigartigen<br />

Überblick, welche Messgerätetypen es gibt und<br />

wofür diese sinnvoll einzusetzen sind.<br />

K.-H. Niemann / T. Kröger<br />

1. Auflage 2010, 152 Seiten, Broschur, mit CD-ROM<br />

Fachbuch<br />

+ CD-ROM<br />

Über 1.600 Seiten nützliche,<br />

ergänzende Inhalte (z. B. Montage-,<br />

Inbetriebnahme- und Planungsrichtlinien<br />

sowie Systembeschreibungen)<br />

Oldenbourg Industrieverlag<br />

www.oldenbourg-industrieverlag.de<br />

Vorteilsanforderung per Fax: +49 (0) 201 / 820 02 - 34 oder im Fensterumschlag einsenden<br />

Ja, ich bestelle gegen Rechnung 3 Wochen zur Ansicht<br />

___ Ex. PROFIBUS – Diagnose und Messungen<br />

1. Aufl age 2010 für € 59,90 (zzgl. Versand)<br />

ISBN: 978-3-8356-3204-2<br />

Die bequeme und sichere Bezahlung per Bankabbuchung wird mit einer<br />

Gutschrift von € 3,- auf die erste Rechnung belohnt.<br />

Firma/Institution<br />

Vorname/Name des Empfängers<br />

Straße/Postfach, Nr.<br />

Land, PLZ, Ort<br />

Antwort<br />

Vulkan-Verlag GmbH<br />

Versandbuchhandlung<br />

Postfach 10 39 62<br />

45039 Essen<br />

Widerrufsrecht: Sie können Ihre Vertragserklärung innerhalb von zwei Wochen ohne Angabe von Gründen in Textform (z. B. Brief, Fax, E-Mail) oder durch<br />

Rücksendung der Sache widerrufen. Die Frist beginnt nach Erhalt dieser Belehrung in Textform. Zur Wahrung der Widerrufsfrist genügt die rechtzeitige<br />

Absendung des Widerrufs oder der Sache an die Vulkan-Verlag GmbH, Versandbuchhandlung, Postfach 10 39 62, 45039 Essen.<br />

Nutzung personenbezogener Daten: Für die Auftragsabwicklung und zur Pfl ege der laufenden Kommunikation werden personenbezogene Daten erfasst,<br />

gespeichert und verarbeitet. Mit dieser Anforderung erkläre ich mich damit einverstanden, dass ich □ per Post, □ per Telefon, □ per Telefax, □ per<br />

E-Mail vom Oldenbourg Industrieverlag oder vom Vulkan-Verlag über interessante Fachangebote informiert und beworben werde. Diese Erklärung kann ich<br />

mit Wirkung für die Zukunft jederzeit widerrufen.<br />

Telefon<br />

Telefax<br />

E-Mail<br />

Branche/Wirtschaftszweig<br />

Bevorzugte Zahlungsweise □ Bankabbuchung □ Rechnung<br />

Bank, Ort<br />

Bankleitzahl<br />

✘<br />

Datum, Unterschrift<br />

Kontonummer<br />

PDMdZ2010


praxis<br />

Drahtlose Ortungssysteme maßgeschneidert:<br />

mobile Betriebsmittel per RFID überwachen<br />

Die skalierbaren Lösungen eignen sich auf für die Kontrolle innerhalb geschlossener Hallen<br />

RFID-Lokalisierungssysteme erlauben einen effizienteren<br />

Einsatz beispielsweise von tragbaren Werkzeugen,<br />

mobilen Maschinen, Transportbehältern, Fahrzeugen.<br />

Zudem können Besucher, eigenes Personal und<br />

Betriebsmittel zuverlässig überwacht und gemanagt<br />

werden. Selbst für Ex-Bereiche sind derartige Lösungen<br />

verfügbar. Durch skalierbare Leistungsfähigkeit machen<br />

sie passgenaue und kostengünstige Implementierungen<br />

möglich.<br />

Lokalisierungssysteme können Funksignale unterschiedlicher<br />

Art verwenden. Grundbaustein aller Lösungen<br />

sind Transponder, die an Fahrzeugen oder Betriebsmitteln<br />

angebracht oder von Personen zum Beispiel an<br />

der Arbeitskleidung getragen werden. In der zu überwachenden<br />

Anlage werden außerdem gegebenenfalls erforderliche<br />

Controller installiert. Hardwareseitig nutzen<br />

gängige Lösungen entweder den Funkstandard RFID<br />

(Radio Frequency Identification) oder das Global Positioning<br />

System (GPS).<br />

Spezielle Systeme zur RFID-Ortung ermöglichen auch in<br />

Ex-Bereichen die Standortbestimmung von Personen, Fahrzeugen<br />

und anderer mobiler Betriebsmittel.<br />

Ein Edgeware-Server sorgt für den reibungslosen Datenaustausch<br />

zwischen dem RFID-Lokalisierungssystem und Anwendungen<br />

auf der übergeordneten IT-Ebene.<br />

RFID-Tags<br />

für das ISwireless-<br />

System sind in sehr<br />

rauer Umgebung<br />

einsetzbar und<br />

bleiben dank ihrer<br />

langlebigen Batterie<br />

viele Jahre wartungsfrei<br />

funktionstüchtig.<br />

Bilder: R. Stahl<br />

GPS EIGNET SICH NUR FÜR DEN AUSSENEINSATZ<br />

GPS bietet prinzipiell den Vorteil, dass kein eigenes Netzwerk<br />

von Empfängern in einer Anlage installiert werden<br />

muss. Für viele Prozessanlagen scheidet diese Option<br />

allerdings von vornherein aus, da sich das Satelliten-gestützte<br />

System nur für Außenbereiche eignet. Sehr oft soll<br />

aber auch das Innere von Gebäuden in die Überwachung<br />

einbezogen werden, wo sich eine ständige Verbindung<br />

zum Satellitensystem nicht gewährleisten lässt und GPS<br />

daher nicht einsetzbar ist.<br />

Im Gegensatz dazu ist ein Lokalisierungssystem auf<br />

Basis von aktiven RFID-Tags für Indoor- und Outdoor-<br />

Nutzung gleichermaßen geeignet. Solche Transponder<br />

übermitteln und empfangen Daten im Freien oft noch<br />

über weit mehr als 100 m. Auch Signale aktiver Tags in<br />

Gebäuden sind noch in beträchtlicher Entfernung zu<br />

empfangen, sogar durch mehrere Wände hindurch. Darüber<br />

hinaus liegen die Kosten pro Transponder-Einheit<br />

klar unter denen von GPS-Sendern in Industrieausführung.<br />

PASSGENAUE LÖSUNG FÜR JEDEN EINZELFALL<br />

Ein Echtzeitsystem zur Positionsbestimmung kann<br />

grundsätzlich gut auf die konkreten Bedürfnisse individueller<br />

Anwender abgestimmt werden. Berücksichtigt<br />

werden kann erstens die Größe des zu überwachenden<br />

Areals insgesamt. Außerdem kann nach Standorten mit<br />

Anlagen im Gebäudeinneren, solchen mit Anlagen ausschließlich<br />

im Freien und den recht häufigen gemischten<br />

Szenarien differenziert werden. Daneben unterscheidet<br />

sich je nach Anwendung auch die geforderte Ortungsgenauigkeit<br />

und -geschwindigkeit.<br />

Eine Rolle für Projektierung und Implementierung einer<br />

passgenauen Lösung spielen schließlich noch die<br />

Bewegungshäufigkeit und -geschwindigkeit der Betriebsmittel<br />

oder der Personen, die mit Lokalisierungs-Tags<br />

versehen werden sollen. Die einfachsten Systeme registrieren<br />

lediglich die Anwesenheit beobachteter Arbeits-<br />

78<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


mittel oder Personen an wenigen konkreten Orten. Objekte<br />

und Mitarbeiter mit Tags werden in diesem Fall nur<br />

jeweils dann identifiziert und geortet, wenn ihre Signale<br />

von den an den spezifischen Orten einzeln installierten<br />

RFID-Controllern empfangen werden. So kann beispielsweise<br />

bei Evakuierungen festgestellt werden, ob<br />

und wann alle im Gebäude anwesenden Mitarbeiter<br />

bestimmte Sammelpunkte erreicht haben. Das Container-Tracking<br />

wiederum lässt sich bei einer solchen Lösung<br />

zum Beispiel dazu nutzen, das Eintreffen eines<br />

leeren Tanks an einem Ankunfts- oder Abstellpunkt zu<br />

registrieren, ebenso dessen Erreichen einer Reinigungsstation<br />

sowie beispielsweise die Bereitstellung zur erneuten<br />

Befüllung und Verladung.<br />

GANZE ZONEN UNTER KONTROLLE<br />

Mit einem leistungsfähigeren System lassen sich weitergehende<br />

Überwachungsmöglichkeiten für ganze Zonen<br />

schaffen. Notwendig ist dazu die Installation einer Reihe<br />

fest installierter Controller, die als Verbund eine Zone<br />

bilden. Nützlich ist dies unter anderem für die laufend<br />

aktuelle Standortbestimmung von Arbeitsmitteln, die<br />

immer wieder mobil in unterschiedlichen Teilbereichen<br />

eingesetzt werden und deren aktueller Standort nicht immer<br />

absehbar und planbar ist. R. Stahl zum Beispiel bietet<br />

Systemlösungen zur Zonenlokalisierung an, die in<br />

einem Umkreis von bis zu 160 m anwesende RFID-Tags<br />

identifizieren und dem entsprechenden Anlagenteil zuordnen<br />

können.<br />

Im anspruchsvollsten Szenario kann eine exakte Lokalisierung<br />

beispielsweise von Personen in bestimmten<br />

Räumen oder Behältern auf bestimmten Stellflächen erfolgen.<br />

Eine entsprechend genaue Positionsbestimmung<br />

von RFID-Tags lässt sich auf der Grundlage der Signalfeldstärke<br />

eines Tags oder anhand von Laufzeitmessungen<br />

ermitteln. Um einen Einsatz auch in Anlagen mit<br />

gas- und staubexplosionsgefährdeten Bereichen zu ermöglichen,<br />

stellt R. Stahl aktive RFID-Tags in eigensicherer<br />

Bauart zur Verfügung und bietet die Controller<br />

des Systems in druckfest gekapselten Gehäusen an.<br />

GEEIGNET FÜR einen GROSSEN TEMPERATURBEREICH<br />

Die Komponenten sind auf einen sehr breiten Umgebungstemperaturbereich<br />

von -40 °C bis +50 °C (Transponder)<br />

beziehungsweise -20 °C bis +60 °C (Controller) ausgelegt.<br />

Die Controller in Schutzart IP66 sind für die Installation<br />

in Zone 1 und 2 sowie 21 und 22 geeignet. Die nicht einmal<br />

2 cm hohen Tags sind gerade für Außenbereiche noch<br />

robuster (Schutzart IP67) konstruiert – sie können zusätzlich<br />

auch in der Zone 0 beziehungsweise 20 verwendet<br />

werden. Ihre Batterie-Lebensdauer ermöglicht eine Nutzung<br />

über sechs bis zehn Jahre. Die Controller erlauben<br />

die Positionsüberwachung von bis zu 100 RFID-Tags pro<br />

Sekunde und über 1000 Tags an Geräten oder Personen<br />

insgesamt.<br />

Die RFID-Empfänger verfügen sowohl über eine Standard-100BaseTx-<br />

als auch über eine WLAN-Client-<br />

Schnittstelle, passen also physikalisch zur üblichen<br />

Ethernet-Infrastruktur. Bei der vorgestellten Lösung<br />

werden die von den RFID-Empfängern gesammelten Informationen<br />

über eine Edgeware von R. Stahl aufbereitet.<br />

Im einfachsten Fall bedeutet dies, dass die Informationen<br />

von den Controllern abgefragt und gefiltert werden:<br />

Redundante Informationen werden ausgesondert, nur<br />

die effektive Statusänderung wird an Kundenapplikationen<br />

weitergegeben.<br />

EDGEWARE SCHREIBT UND LIEST DIE DATEN<br />

Zusätzlich übernimmt die Edgeware das Schreiben und<br />

Lesen von Daten auf und von RFID-Tags. Jeder Transponder<br />

kann mit 112 Bytes zusätzlichen Nutzdaten beschrieben<br />

werden. Unter Edgeware ist eine Middleware zu verstehen,<br />

die auf einem sogenannten Edge Server läuft, das<br />

heißt einem strukturell am Netzwerk-Rand platzierten<br />

System. Es stellt den Übergangspunkt zwischen der RFID-<br />

Infrastruktur und der höheren IT-Ebene dar: Die Aufbereitung<br />

durch die Edgeware ermöglicht die Datenübergabe<br />

zwischen einer genormten Schnittstelle auf der einen<br />

und übergeordneten Softwareanwendungen auf der anderen<br />

Seite. Bei Letzteren kann es sich beispielsweise um<br />

spezielle Asset Tracking-Software, ERP-Systeme, Scada-<br />

Lösungen oder PLS handeln.<br />

Die Edgeware bedient sich der Protokollspezifikation<br />

SOAP. Diese Schnittstelle zum Web gewährleistet bei<br />

verschiedensten IT-Topologien sehr flexible Möglichkeiten<br />

zur Integration. Funktionen wie Gate Access, People<br />

Monitoring und Container Tracking lassen sich dank<br />

SOAP komfortabel über einen Browser nutzen. Erforderliche<br />

und gewünschte übergeordnete Software wird entsprechend<br />

der Kundenanwendung ausgewählt und üblicherweise<br />

von einem Systemintegrator implementiert.<br />

Dabei kann es sich um einen Dienstleister handeln, der<br />

bereits ERP-Systeme beim Anwender installiert hat.<br />

Autor<br />

Karl-Heinz Christoffel<br />

ist tätig im Vertrieb Automatisierung<br />

bei R. Stahl.<br />

R. Stahl AG,<br />

Am Bahnhof 30, D-74638 Waldenburg,<br />

Tel. +49 (0) 162 282 44 73<br />

E-Mail: karl-heinz.christoffel@stahl.de<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

79


praxis<br />

Sichere Verbindung in jeder Umgebung<br />

Bewährter Steckverbinder lässt sich nun auch unter extremen Bedingungen einsetzen<br />

Fit für extreme<br />

Umweltbedingungen:<br />

Für den Außeneinsatz in<br />

verschiedensten Einsatzfeldern<br />

wurde eine<br />

Outdoor-Version des<br />

M12-Steckverbinders<br />

entwickelt.<br />

Härtetest:<br />

Während ihrer Entwicklung<br />

mussten die neuen<br />

Steckverbinder auch<br />

Klimatests bestehen.<br />

egen seiner Robustheit und seiner hohen Marktdurchdringung<br />

ist der M12-Steckverbinder seit<br />

W<br />

langem eine gute Wahl für Signal- und Datensteckverbindungen.<br />

Schon heute wird das System in Outdoor-<br />

Applikationen eingesetzt. Eine neue Version des Verbinders<br />

mit modifizierten Materialien erlauben nun<br />

auch den langfristig zuverlässigen Einsatz unter extremen<br />

Bedingungen.<br />

Signal- und Datensteckverbinder aus dem industriellen<br />

Umfeld werden immer häufiger auch im Außenbereich<br />

eingesetzt. Die dort herrschenden Umweltbedin-<br />

gungen setzen den Komponenten, die nicht für den<br />

extremen Einsatz konzipiert wurden, oft schwer zu –<br />

ein sicherer Betrieb über einen längeren Zeitraum ist<br />

kaum möglich. Mit umfangreichen Tests und einer neuen<br />

Materialkombination hat Phoenix Contact den weit<br />

verbreiteten M12-Steckverbinder nun für den Extremeinsatz<br />

fit gemacht.<br />

Erneuerbare Energien, intelligente Systeme für Infrastruktur-Projekte,<br />

die Forderung nach hoher Verfügbarkeit<br />

von Maschinen und Anlagen – das sind die Trends,<br />

die den klassischen Industrie-Steckverbindern neue<br />

80<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011


Anwendungsfelder erschließen. Steckverbinder in<br />

Windkraftanlagen, in Solar-Nachführungs-Steuerungen<br />

oder auch im Nutz- und Sonderfahrzeugbau unterscheiden<br />

sich zunächst kaum von denen in Fabrikhallen.<br />

Das ist durchaus nachvollziehbar, da viele der<br />

praxisbewährten Eigenschaften und Funktionen aus<br />

dem Industrieumfeld auch im Extremeinsatz benötigt<br />

werden. Industrie-Steckverbinder bieten aufgrund ihrer<br />

Bauart Schutz gegen das Eindringen von Schmutz,<br />

Staub und Flüssigkeit. Zudem sind sie so robust ausgelegt,<br />

dass Schock und Vibration ihnen nichts anhaben<br />

können. Auf der anderen Seite können die extremen<br />

Anforderungen im Außenbereich die Lebenszyklen einzelner<br />

Bauteile verkürzen.<br />

Bei der Entwicklung und Auslegung von Komponenten<br />

für extreme Einsatzgebiete müssen zunächst die unterschiedlichsten<br />

Anforderungen exakt definiert werden.<br />

Denn es gibt weder eine Norm noch marktübliche Testvorgaben,<br />

nach denen sich ein Steckverbinder für den<br />

Outdoor-Einsatz konzipieren ließe. Allgemein gilt, dass<br />

Steckverbindungen im Außenbereich mit UV-Strahlung,<br />

Ozonbelastung, trockener und feuchter Wärme, Regen<br />

und Schnee sowie Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt<br />

zurecht kommen müssen. Besonders der extreme<br />

Wechsel zwischen Temperaturbereichen stellt eine hohe<br />

Belastung für die Materialien dar. Auch die mechanische<br />

Beanspruchung sowie die Forderung des Endanwenders<br />

nach leichter und flexibler Montage spielen in diesem<br />

Kontext eine Rolle.<br />

Der M12-Steckverbinder, seit Jahren Rückgrat in der<br />

Automatisierungstechnik, wird immer häufiger auch in<br />

den erwähnten Applikationen nachgefragt und eingesetzt.<br />

Einen Nachweis für die Outdoor-Tauglichkeit von<br />

M12-Steckverbindern fehlt aber bislang.<br />

Am Anfang der Entwicklung des Outdoor-M12 standen<br />

daher ein detailliertes Anforderungsprofil und ein umfassender<br />

Prüfplan, der neben den M12-Norm-Anforderungen<br />

gemäß IEC 61076-2-101 auch die spezifischen<br />

klimatischen und mechanischen Anforderungen der<br />

Outdoor-Bereiche widerspiegelt.<br />

Zunächst wurden die handelsüblichen M12-Steckverbinder<br />

gründlichen Tests unterzogen. Dabei kristallisierte<br />

sich heraus, dass viele der in konventionellen Steckverbindern<br />

verwendeten Materialien und Materialkombinationen<br />

den hohen Anforderungen des Outdoor-Einsatzes<br />

nicht genügten.<br />

Bei der neuen M12-Outdoor-Serie von Phoenix Contact<br />

kommen daher Gehäusematerialien wie PP (Polypropylen),<br />

PA (Polyamid) und PBT (Polybutylenterephthalat)<br />

zum Einsatz. Bei den umspritzten Steckverbindern wurde<br />

ein neues Dichtkonzept im Umspritzbereich entwickelt,<br />

das sich an Leitungskonzepte im Solarbereich<br />

anlehnt. Diese Anpassungen ermöglichen auch unter den<br />

widrigsten Witterungsbedingungen die Einhaltung der<br />

Schutzarten IP67 und IP69k. Zudem weisen die Leitungen<br />

auch bei hohen Temperaturen eine hohe Ölbeständigkeit<br />

auf – wovon zum Beispiel Mobilhydraulik-Applikationen<br />

profitieren. Spezielle Dichtungen verhindern<br />

ein Verspröden und eine mögliche Rissbildung und somit<br />

das vorzeitige Altern.<br />

Die Metallteile für die Verschraubungen sowie die<br />

Schirmungskomponenten bei den geschirmten Steckverbindern<br />

bestehen aus korrosionsbeständigen hochwertigen<br />

Edelstahl-Legierungen wie V4A oder einem neuartig<br />

beschichtetem Zink-Druckguss. So ist auch bei aggressiver<br />

Atmosphäre, etwa bei Seeklima, ein optimaler Korrosionsschutz<br />

über einen langen Zeitraum möglich. Bewähren<br />

mussten sich die neuen Verbinder in der Testphase<br />

unter anderem in: Witterungstest (UV), IP67, IP68,<br />

IP69k, Kesternich-Test, Salznebel-Sprüh-Test, schnelle<br />

Temperaturwechsel, konstante feuchte Wärme, trockene<br />

Hitze, korrosive Gase und Ozon-Beständigkeit.<br />

Das M12-Outdoor-Programm von Phoenix Contact umfasst<br />

Verteilerboxen, konfektionierbare Steckverbinder<br />

sowie vorkonfektionierte M12-Leitungen in unterschiedlichen<br />

Längen. Die M12-Leitungen sind geschirmt und<br />

ungeschirmt verfügbar, die Schirmelemente des Steckverbinders<br />

sind dabei erstmalig in Edelstahl ausgeführt.<br />

Die Anbindung des Schirmgeflechtes erfolgt nicht durch<br />

eine auf die Leitung gecrimpte Verbindung, sondern<br />

durch eine 360°-Verbindung direkt auf der Schirmhülse.<br />

Selbst bei hohen mechanischen Belastungen durch<br />

Schock und Vibration arbeitet die Schirmung sicher und<br />

unterbrechungsfrei. Damit sind auch CAN-Bus- oder<br />

Ethernet-Varianten möglich, die häufig für die Datenkommunikation<br />

in den beschriebenen Applikationen<br />

genutzt werden.<br />

Der Anwender muss stets die Umwelteinflüsse auf<br />

seine spezifische Applikation bewerten. Nicht immer<br />

ist eine Outdoor-Steckverbindung notwendig. Da aber<br />

zahlreiche Umwelteinflüsse die Materialien erst über<br />

einen längeren Zeitraum schädigen, ist eine nachgewiesene<br />

Outdoor-Tauglichkeit ein nicht zu unterschätzender<br />

Faktor – im Hinblick auf die Sicherheit und damit<br />

auch auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage.<br />

Autor<br />

Dipl.-Wirt.-Ing. Michael<br />

Lüdke ist im Produkt-<br />

Marketing Industrie-Steckverbinder<br />

Pluscon tätig.<br />

Phoenix Contact GmbH & Co. KG,<br />

Flachsmarktstr. 8, D-32825 Blomberg,<br />

Tel.: +49 (0) 5235 33 02 52,<br />

E-Mail: mluedke@phoenixcontact.com<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7-8 / 2011<br />

81


impressum / <strong>Vorschau</strong><br />

Impressum<br />

<strong>Vorschau</strong><br />

Verlag:<br />

Oldenbourg Industrieverlag GmbH<br />

Rosenheimer Straße 145<br />

D-81671 München<br />

Telefon + 49 (0) 89 4 50 51-0<br />

Telefax + 49 (0) 89 4 50 51-3 23<br />

www.oldenbourg-industrieverlag.de<br />

Geschäftsführer:<br />

Carsten Augsburger<br />

Jürgen Franke<br />

Hans-Joachim Jauch<br />

Publisher:<br />

Wolfgang Mönning<br />

Herausgeber:<br />

Dr. V. Huck<br />

Dr. G. Kegel<br />

Dipl.-Ing. H. Kumpfmüller<br />

Dr. N. Kuschnerus<br />

Beirat:<br />

Dr.-Ing. K. D. Bettenhausen<br />

Prof. Dr.-Ing. Ch. Diedrich<br />

Prof. Dr.-Ing. U. Epple<br />

Prof. Dr.-Ing. A. Fay<br />

Prof. Dr.-Ing. M. Felleisen<br />

Prof. Dr.-Ing. G. Frey<br />

Prof. Dr.-Ing. P. Göhner<br />

Dipl.-Ing. Th. Grein<br />

Prof. Dr.-Ing. H. Haehnel<br />

Dr.-Ing. J. Kiesbauer<br />

Dipl.-Ing. R. Marten<br />

Dipl.-Ing. G. Mayr<br />

Dr. J. Nothdurft<br />

Dr.-Ing. J. Papenfort<br />

Dr. A. Wernsdörfer<br />

Dipl.-Ing. D. Westerkamp<br />

Dr. Ch. Zeidler<br />

Organschaft:<br />

Organ der GMA<br />

(VDI/VDE-Gesell schaft Messund<br />

Automatisierungs technik)<br />

und der NAMUR<br />

(Interessen gemeinschaft<br />

Automatisierungs technik der<br />

Prozessindustrie).<br />

Redaktion:<br />

Gerd Scholz (verantwortlich)<br />

Telefon + 49 (0) 89 4 50 51-3 44<br />

Telefax + 49 (0) 89 4 50 51-3 23<br />

E-Mail: scholz@oiv.de<br />

Anne Hütter<br />

Telefon + 49 (0) 89 4 50 51-4 18<br />

Telefax + 49 (0) 89 4 50 51-3 23<br />

E-Mail: huetter@oiv.de<br />

Einreichung von Hauptbeiträgen:<br />

Prof. Dr.-Ing. Leon Urbas<br />

(Chefredakteur, verantwortlich<br />

für die Hauptbeiträge)<br />

Technische Universität Dresden<br />

Fakultät Elektrotechnik<br />

und Informationstechnik<br />

Professur für Prozessleittechnik<br />

D-01062 Dresden<br />

Telefon +49 (0) 351 46 33 96 14<br />

E-Mail: urbas@oiv.de<br />

Fachredaktion:<br />

M. Blum<br />

Prof. Dr. J. Jasperneite<br />

Dr. B. Kausler<br />

Dr. N. Kiupel<br />

Dr. W. Morr<br />

I. Rolle<br />

F. Schiller<br />

Bezugsbedingungen:<br />

„<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> – Automatisierungstechnische<br />

Praxis“ erscheint<br />

monatlich mit einer Doppelausgabe im<br />

Januar/Februar und Juli/August.<br />

Bezugspreise:<br />

Abonnement (Deutschland):<br />

€ 460,– + € 30,– Versand<br />

Abonnement (Ausland):<br />

€ 460,– + € 35,– Versand<br />

Einzelheft: € 55,– + Versand<br />

Die Preise enthalten bei Lieferung<br />

in EU-Staaten die Mehrwertsteuer,<br />

für alle übrigen Länder sind es<br />

Nettopreise. Mitglieder der GMA: 30%<br />

Ermäßigung auf den Heftbezugspreis.<br />

Bestellungen sind jederzeit über den<br />

Leserservice oder jede Buchhandlung<br />

möglich.<br />

Die Kündigungsfrist für Abonnementaufträge<br />

beträgt 8 Wochen zum<br />

Bezugsjahresende.<br />

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den Anzeigenteil:<br />

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Brigitte Krawczyk<br />

Telefon + 49 (0) 89 4 50 51-2 26<br />

Telefax + 49 (0) 89 4 50 51-3 00<br />

E-Mail: krawczyk@oiv.de<br />

Druck:<br />

Druckerei Chmielorz GmbH<br />

Ostring 13<br />

D-65205 Wiesbaden-Nordenstadt<br />

Gedruckt auf chlor- und<br />

säurefreiem Papier.<br />

Die <strong>atp</strong> wurde 1959 als „Regelungstechnische<br />

Praxis – rtp“ gegründet.<br />

© 2011 Oldenbourg Industrieverlag<br />

GmbH München<br />

Die Zeitschrift und alle in ihr enthaltenen<br />

Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich<br />

geschützt. Mit Ausnahme<br />

der gesetzlich zugelassenen Fälle ist<br />

eine Verwertung ohne Ein willigung des<br />

Verlages strafbar.<br />

ISSN 2190-4111<br />

Die Ausgabe 9 / 2011 der<br />

erscheint am 29.8.2011<br />

Mit folgenden Beiträgen:<br />

Montagemaschinen simulieren<br />

– Automatisierte Erstellung von<br />

Verhaltensmodellen<br />

Life Cycle Support per<br />

Simulator – Konzept und<br />

Umsetzung für große Anlagen<br />

Informationstechnische<br />

Unterstützung der<br />

Arbeitsabläufe in der<br />

Anlagenplanung<br />

Von Zäunen befreit – <strong>Roboter</strong><br />

mit Ultraschall absichern<br />

...und vielen weiteren Themen.<br />

Aus aktuellem Anlass können sich die Themen<br />

kurzfristig verändern.<br />

LeserService<br />

e-Mail:<br />

leserservice@oiv.de<br />

Telefon:<br />

+ 49 (0) 931 4170-1615<br />

82<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

7–8/ 2011


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der Automatisierungstechnik.<br />

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Marcus Plantenberg: Tel. +49 (0) 89 55 07 99 09<br />

E-Mail: m.plantenberg@pms-plantenberg.de<br />

Annemarie Scharl-Send: Tel. +49 (0) 8144 9 96 95 12<br />

E-Mail: ass@salescomm.de

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