atp edition Plug und Prognose (Vorschau)

10 / 2012

54. Jahrgang B3654

Oldenbourg Industrieverlag

Automatisierungstechnische Praxis

Reifezeugnis für mechatronische

Entwicklungsprozesse | 28

Das Zeitverhalten

verteilter Anlagen | 36

Safety und Security für

Feldbus-Anforderungen | 44

Plug and Prognose | 52

Print wirkt

„atp edition“ ist ein Printtitel auf höchster

Qualitätsstufe und mit Nachhaltigkeit im

Sinne wiederkehrender Nutzung. Der Titel

erfüllt den selbstgestellten Anspruch eines

anspruchsvollen und seriösen Magazins für

Top-Entscheider zwischen Wissenschaft

und Praxis konsequent.

Entsprechend der journalistischen Konzeption

ist Online hintenangestellt. Die Jury

sah hier „die beispielhafte Umsetzung einer

wissenschaftlich ausgerichteten Fachzeitschrift

mit Magazincharakter“.

EDITORIAL

Sicherheit und Zuverlässigkeit

in automatisierten Prozessen

Unsere Gesellschaft hängt in hohem Maße von der Funktion technischer Systeme

ab. Das wird sich künftig durch die zunehmende intelligente Vernetzung,

Stichwort Cyber-physikalische Systeme, noch deutlich verstärken. Daher

kommt der Zuverlässigkeit der Systeme eine hohe Bedeutung zu.

Kein technisches System ist absolut perfekt, das heißt, es weist Schwachstellen

auf. Treffen Bedrohungen auf Schwachstellen, kann es zu einer Gefährdung für

Mensch, Maschine und Umfeld kommen. Um die Gefährdung auf einem akzeptablen

Niveau zu halten, müssen Maßnahmen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit

ergriffen werden.

Was ist Zuverlässigkeit? Wir bezeichnen im umgangssprachlichen Wortlaut

einen Menschen als zuverlässig, wenn man sich auf ihn verlassen kann. Die DIN

40041 definiert Zuverlässigkeit als Fähigkeit eines technischen Systems für eine

gegebene Zeitdauer den gestellten Anforderungen zu genügen.

Die Beiträge der vorliegenden Ausgabe adressieren Aspekte an unterschiedlichen

Stellen des Lebenszyklus automatisierter Prozesse, mit denen man die

Zuverlässigkeit beeinflussen kann.

Es beginnt in der Entwurfsphase. Gerade bei disziplinübergreifenden Entwicklungen

sind gut definierte Prozesse eine Voraussetzung für ein zuverlässiges

mechatronisches Produkt. Doch wie steht es um den Reifegrad dieser Prozesse?

Oder um die Bewertung des Zeitverhalten eines Automatisierungssystems,

insbesondere dann, wenn Produkte und Systeme unterschiedlicher Hersteller

beteiligt sind?

Für zuverlässige technische Systeme sind die Berücksichtigung der Informationssicherheit

(Security) und der Funktionalen Sicherheit (Safety) unabdingbar.

Dabei zeigen sich vielfältige Querbeziehungen zwischen diesen beiden nichtfunktionalen

Eigenschaften, die aufgrund bisher getrennter Fachwelten noch

nicht ausreichend adressiert werden.

Keine Komponente oder kein Bauteil hat eine unendliche Lebensdauer. Um die

Verfügbarkeit eines automatisierten Prozesses entsprechend den Anforderungen

dennoch zu gewährleisten, besteht eine zuverlässigkeitserhöhende Maßnahme

in der automatischen Überwachung und Fehlerdiagnose des Prozesses.

Wie Sie sehen, sind sehr viele Facetten zu betrachten, bevor ein technisches

System als verlässlich gilt. In diesem Zusammenhang sei auch auf den jüngst

gegründeten VDI/VDE-GMA Arbeitskreis FA 6.15 hingewiesen, der sich mit dem

zuverlässigen Betrieb Ethernet-basierter Bussysteme in der industriellen Automatisierung

beschäftigt. Anwender sind eingeladen, hier ihre Erfahrungen und

Anforderungen im Umgang mit Ethernet einzubringen!

PROF. DR.-ING.

JÜRGEN JASPERNEITE

Institutsleiter Institut für

industrielle Informationstechnik

(inIT) der Hochschule OWL und

Leiter Fraunhofer-Anwendungszentrum

Industrial Automation

(IOSB-INA), Lemgo

atp edition

10 / 2012

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INHALT 10 / 2012

VERBAND

8 | Grundsätze zur Prozessführung per Bildschirm

DKE baut Kooperation mit Eurasien aus

9 | Neuer Leitfaden zeigt Umsetzung funktionaler Sicherheit

mit elektrotechnischen Elementen

AALE zeichnet exzellente Abschlussarbeiten aus

FORSCHUNG

10 | Hohe Fördersummen für kosteneffiziente Planung von Inbetriebnahme

an Lemgoer Modellfabrik

Umfrage zu Produktionsarbeit der Zukunft gestartet

11 | Radar: KIT und RUB schaffen Spitzenwert

Master Energieeffizienz

BRANCHE

12 | Von der Handdrossel zum smarten Stellgerät –

75. Namur-Hauptsitzung 2012 in Bad Neuenahr

13 | „Integrated Industry“ ist Leitthema der HMI 2013

Querschnittstechnologien für Ressourceneffizienz

24 | Oberflächeninspektionen nutzen bei

unterschiedlichen Anforderungen den Piezoeffekt

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PRAXIS

14 | Wenn kapazitive Messtechnik versagt:

Drehflügelmesser optimiert Müllverbrennungsprozess

18 | Mit effizienter Steuerungs- und Antriebstechnik

den Maschinenausstoß verdoppelt

20 | Energiebus- und Anschluss-System für dezentrale Energieverteilung

vereinfacht neue Förderstrecke

HAUPTBEITRÄGE

28 | Reifezeugnis für mechatronische Entwicklungsprozesse

B. SPIEGELBERGER, M. BONETSMÜLLER, R. STETTER, B. KAUSLER

36 | Das Zeitverhalten verteilter Anlagen

S. SCHÄFER, U. BERGER, D. SCHÖTTKE, T. KÄMPFE

44 | Safety und Security für Feldbus-Anforderungen

F. WIECZOREK, F. SCHILLER

52 | Plug and Prognose

L. LIAO, Z. EDMONDSON, H. LUDWIG

RUBRIKEN

3 | Editorial

62 | Impressum, Vorschau

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PRAXIS

Ein Partner für alles – und die Welt

der Prozessautomatisierung ist komplett.

6

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VERBAND

Grundsätze zur Prozessführung per Bildschirm

Die VDI-/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik

(GMA) hat eine neue Richtlinie über

die Grundlagen zur Prozessführung mit Bildschirmen

veröffentlicht. Moderne Anlagen zur Überwachung,

Kontrolle und Steuerung von dynamischen Prozessen

werden meist über ein Prozessleitsystem gesteuert, betont

die GMA. Die neue Richtlinie VDI/VDE 3699 Blatt 2

vermittle dementsprechend wesentliche Informationen

der Prozessführung mit Bildschirmen. Die Einspruchsfrist

endet am 31. Januar 2013.

Aufgezeigt werden die Ziele der Prozessführung und

die zehn Grundsätze der Mensch-Maschine-Schnittstelle.

Daneben behandelt die Richtlinie die Organisation

von Leitplätzen, Konzepte der Darstellung, Darstellungstechnik

und erste Grundlagen der Bedienung.

Die Richtlinie richtet sich an Unternehmen der chemischen

und petrochemischen Verfahrenstechnik, Anlagen

zur Dampferzeugung sowie verfahrenstechnische

Anlagen in der Eisenhüttenindustrie, soweit keine besonderen

Vorschriften für die genannten Anlagen oder

Teilanlagen zu beachten sind.

Die GMA betont, das Richtlinienblatt bilde eine Grundlage

zum Verständnis und zur Anwendung der übrigen

Blätter der Richtlinienreihe. Der Entwurf der Richtlinie

VDI/VDE 3699 Blatt 2 „Prozessführung mit Bildschirmen

– Grundlagen“ ist ab sofort in deutscher Sprache erhältlich,

unter anderem unter www.vdi.de/richtlinien. gz

WESENTLICHE INFORMATIONEN zur Prozessführung

mit Bildschirmen vermittelt die neue Richtlinie der GMA.

Bild: Scholz

VDI/VDE – GESELLSCHAFT MESS- UND

AUTOMATISIERUNGSTECHNIK (GMA)

VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE E.V.,

VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,

Tel. +49 (0) 211 6 21 40, Internet: www.vdi.de

DKE baut Kooperation mit Eurasien aus

DR.-ING. BERNHARD THIES

Sprecher der DKE-Geschäftsführung:

„Wir unterstützen schon seit Jahren

Russland und Weißrussland bei den

Themen Normung und Standardisierung

und haben auch lang anhaltende,

gute Beziehungen zu Kasachstan.“

Bild: DKE

Die DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik

Informationstechnik im DIN und VDE

(VDE|DKE) intensiviert ihre Zusammenarbeit mit der

entstehenden Eurasischen Zollunion bei Normung und

Standardisierung. Bislang besteht die Zollunion aus

Russland, Weißruss land und Kasachstan. Bald, so erläutert

die VDE|DKE, soll sie um Kirgistan und Tadschikistan,

eventuell auch um die Ukraine erweitert werden.

Damit wäre sie ein Bindeglied zwischen Europa und der

dynamischen Asien-Pazifik-Region.

Der Raum der Eurasischen Union stellt nach Einschätzung

des VDE insbesondere in den Bereichen Elektrizität,

Energieversorgung und -übertragung sowie moderne

Kommunikations- und Informationstechnologien einen

wachsenden Zielmarkt dar. Daher verstärke man die

Bemühungen, den neuen Technologien durch entsprechende

Normen, die auch bei der Gesetzgebung berücksichtigt

werden, den Weg zu bereiten. „Wir unterstützen

schon seit Jahren Russland und Weißrussland bei den

Themen Normung und Standardisierung und haben

auch lang anhaltende, gute Beziehungen zu Kasachstan“,

erläutert Dr.-Ing. Bernhard Thies, Sprecher der DKE-

Geschäftsführung.

Um das Entstehen eines einheitlichen Wirtschaftsraums

zu ermöglichen, haben die Mitglieder der Zollunion

darauf verzichtet, eigene souveräne Normen zu

schaffen. Der VDE setzt sich dafür ein, dass Normung

und Standardisierung mit der Zollunion direkt auf den

internationalen Ebenen erfolgen, also in den internationalen

Gremien der Elektrotechnik IEC (Internationale

Elektrotechnische Kommission) und CENELEC (Europäisches

Komitee für Elektrotechnische Normung). „Bilaterale

Abkommen auf diesem Gebiet zwischen EU und

der Zollunion wären in gewisser Weise ein Rückschritt,

weil 80 Prozent der Normungsarbeit innerhalb der Elektrotechnik

ohnehin international erfolgen. In der Elektrotechnik

sind wir hier sehr weit im Gegensatz zu vielen

anderen Bereichen“, konstatiert Dr.-Ing. Hans Heinz Zimmer,

Vorstandsvorsitzender des VDE.

Dem Ausbau der Beziehungen zwischen VDE|DKE

und der Eurasischen Zollunion diente unter anderem

jüngst der Besuch einer hochrangigen Delegation der

Eurasischen Wirtschaftskommission bei der DKE.

Zudem führte die VDE|DKE im Juni in Kooperation

mit der Russischen Energie Agentur eine Konferenz

zum Thema „Smart Grid – Normung und Praxis“ in

Moskau durch.

gz

DKE DEUTSCHE KOMMISSION ELEKTROTECHNIK

ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK IM DIN UND VDE,

Stresemannallee 15, D-60596 Frankfurt am Main,

Tel. +49 (0) 69 630 80, Internet: www.dke.de

8

atp edition

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Neuer Leitfaden zeigt Umsetzung funktionaler

Sicherheit mit elektrotechnischen Elementen

Die wichtigste Aufgabenstellung an die Elektrotechnik

bezüglich funktionaler Sicherheit ist die sicherheitsgerichtete

Abschaltung eines Verbrauchers. Mit ihrer

neuen Empfehlung NE 142 bietet die Namur (Interessensgemeinschaft

von Automatisierungsanwendern in der

Prozessindustrie) dem Anwender einen praxisgerechten

Leitfaden, funktionale Sicherheit mit elektrotechnischen

Elementen umzusetzen. Sie ersetzt nicht sicherheitstechnische

Vorüberlegungen, wie Antworten auf die Frage zu

finden, ob die sicherheitstechnische Anforderung ausschließlich

mit elektrotechnischen Mitteln zu lösen ist

oder ob es auch andere, vorzugsweise diversitäre Lösungsansätze

gibt.

Das Dokument beschreibt für die jeweilige SIL-Klassifizierung

notwendige Auslegungs- und Gestaltungshinweise

für elektrotechnische Elemente, wobei sich die Betrach-

tungen im Wesentlichen auf die im Fehlerfall selbsttätig

schaltenden Komponenten wie Schütze und Leistungsschalter

konzentrieren. Die im Dokument aufgeführten

Beispiele zielen darauf ab, möglichst elektrotechnische

Standardkomponenten und -schaltungen (etwa Standard-

Typicals für Einschubverteilungen) einzusetzen, welche

jeweils mittels Adaptionen den unterschiedlichen Sicherheitsanforderungen

SIL 1 bis SIL 3 genügen. Ausführlich

wird auf die Nutzung bewährter Sicherheitsprinzipien

und ebensolcher Elemente eingegangen. Die NE 142 ist bei

der Namur-Geschäftsstelle erhältlich.

gz

NAMUR-GESCHÄFTSSTELLE,

c/o Bayer Technology Services GmbH,

Gebäude K 9, D-51368 Leverkusen

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

AALE zeichnet exzellente Abschlussarbeiten aus

Für die AALE Student Awards 2013 können noch

Bewerbungen eingereicht werden. Herausragende

Bachelor- und Master-Abschlussarbeiten von Hochschulabsolventen

oder -absolventinnen werden dann auf der

10. AALE-Konferenz am 28. Februar und 1. März 2013 in

Stralsund mit den Preisen ausgezeichnet.

Vergeben werden Preisgelder in Höhe von 1000 Euro

für die beste Master-Arbeit und in Höhe von 500 Euro

für die beste Bachelor-Arbeit. Sie werden gestiftet von

Bayer Technology Services und Evonik Industries. Teilnahmeberechtigt

sind alle Absolventen und Absolventinnen

von Hochschulen der angewandten Wissenschaften,

die eine Abschlussarbeit aus dem Gebiet Automation

oder mit eindeutigem Bezug zur Automatisierungstechnik

angefertigt haben.

Die jeweils drei besten Abschlussarbeiten werden von

einer Jury, die mit Fachleuten aus den Hochschulen und

der Industrie besetzt ist, nominiert und deren Autoren

nach Stralsund eingeladen. Dort stellen sie eine Kurzfassung

ihrer Abschlussarbeiten im Plenum der AALE-

Konferenz vor, bevor die Jury die Preisträger bekanntgibt.

Eingereicht werden können die Arbeiten für den

Award von den jeweiligen Hochschulbetreuern bis zum

15. November 2012 in elektronischer Form im Konferenz-

Management-System. Erforderlich sind eine Kurzfassung

der Arbeit, eine Bewertung durch den Hochschulbetreuer

und die Arbeit als PDF-Dokument. Weitere Informationen

sind zu finden unter www.aale2013.fh-stralsund.de

oder www.aale2013@fh-stralsund.de

gz

FACHHOCHSCHULE STRALSUND,

Fachbereich Elektrotechnik und Informatik,

Zur Schwedenschanze 15, D-18435 Stralsund,

Tel. +49 (0) 38 31 455, Internet: www.aale2013.fh-stralsund

ProcessMaster.

Präzision und

Sicherheit in

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Messung

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Fax: 0800 111 44 22

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atp edition

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PROJEKTLEITER Prof.

Dr.-Ing. Oliver Niggemann

und Projektkoordinatorin

Natalia Moriz

vom inIT wollen die

neuen Methoden,

Werkzeuge und

Produkte direkt in der

Lemgoer Modellfabrik

testen. Bild: inIT

FORSCHUNG

Hohe Fördersummen für kosteneffiziente Planung

von Inbetriebnahme an Lemgoer Modellfabrik

Gute Nachrichten für die Automatisierungsforschung.

Mit hohen Fördersummen wird das Forschungsprojekt

„Entwurfsmethoden für Automatisierungssysteme

mit Modellintegration und automatischer Variantenbewertung“

von Projektleiter Prof. Dr.-Ing. Oliver Niggemann

und Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jasperneite gefördert.

Das Forschungsprojekt hat sich zum Ziel gesetzt, durch

frühzeitige, detaillierte Entwürfe von Automatisierungssystemen

Planung und Inbetriebnahme von Produktionsanlagen

kosteneffizienter zu gestalten. Welche Anforderungen

die Anwender an die jeweilige Anlage stellen,

wird derzeit nur marginal erfasst.

Unter dem Dach des Lemgoer Centrum Industrial IT

(CIIT) entwickeln das Institut für industrielle Informationstechnik

(inIT) der Hochschule Ostwestfalen-Lippe

und das Fraunhofer-Anwendungszentrum Industrial

Automation gemeinsam mit Projektpartnern wie Lenze

Automation Methoden, prototypische Werkzeuge und

Lösungen zur Kostensenkung bei der Entwicklung von

komplexen Automatisierungssystemen. Gefördert wird

das Vorhaben vom Bundesministerium für Bildung und

Forschung (BMBF) mit insgesamt 1,2 Millionen Euro.

Das Projekt setzt an der frühen Entwurfsphase an.

„Durch Methoden, Werkzeuge und Lösungen sollen sich

die Planungsphasen von Systemen verkürzen und zeitgleich

effizienter werden. Beispielsweise durch die Automatisierung

des Entwurfsprozesses“, erklärt Niggemann.

Mithilfe einer Anforderungserfassung, durch

Planungsunterstützungssysteme und durch eine virtuelle

Systemintegration soll höhere Entwurfsqualität erzielt

werden. Die umfangreiche Planung unter Berücksichtigung

aller Ansprüche könnte beispielsweise den Energieverbrauch

in Stillstandzeiten um bis zu 60 Prozent des

Durchschnittsbedarfs verringern. „Gezielte Formulierungen

von Anforderungen bestätigen oder widerlegen die

Erwartung und Leistung der Systeme bereits frühzeitig“,

so Projektkoordinatorin Natalia Moriz vom inIT.

Der Startschuss für die Projektpartner Fraunhofer-

Anwendungszentrum, inIT, die MIN-Fakultät der Universität

Hamburg, Lenze, Leikon sowie Inpro ist jetzt

gefallen. Die Förderung läuft über drei Jahre. Dabei

werden neben der Entwicklungsarbeit auch die Methoden,

Werkzeuge und Lösungen getestet. Dies geschieht

vorwie gend in der im CIIT integrierten Lemgoer Modellfabrik

der beiden Institute sowie beim Endanwender

Lenze.

Ziel der BMBF-Förderung ist die nachhaltige Stärkung

der Wertschöpfungskette vom Entwurf über Systemintegration

und Test der intelligenten Elektroniksysteme

in den Anwendungsfeldern Geräte- und Anlagenbau

und Medizintechnik. Dazu gehören die Entwicklung

neuer Methoden und Produkte sowie der

Aufbau strategischer Partnerschaften zwischen Wirtschaft

und Wissenschaft.

ahü

CENTRUM INDUSTRIAL IT

c/o Hochschule Ostwestfalen-Lippe

Langenbruch 6, D-32657 Lemgo,

Tel. +49 (0) 5261 702 59 79, Internet: www.ciit-owl.de

Umfrage zu Produktionsarbeit der Zukunft gestartet

Für eine Studie zur „Zukunft der Produktionsarbeit“

erhebt das Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft

und Organisation IAO Informationen zu Voraussetzungen,

Chancen und Herausforderungen für eine Produktion

nach dem Industrie-4.0-Prinzip bei Entscheidern

produzierender Unternehmen. Nach Mechanisierung,

Industrialisierung und Automatisierung stellt der Paradigmenwechsel

hin zu verstärkter Vernetzung intelligenter

Produktionstechnik durch eingebettete Steuerungen

die vierte industrielle Revolution dar. Das Fraunhofer-

IAO erforscht den Faktor Mensch in der „Industrie 4.0“.

Im sogenannten Internet der Dinge werden reale Produkte

oder Produktionsverfahren mit dem Internet verbunden

und können dadurch auf neue Weise mit Informationen

angereichert und vernetzt werden. „CyberPhysische-Systeme“

(CPS) verbinden zukünftig die virtuelle

Cyberwelt mit Objekten in der real-physischen Welt.

Das können Maschinen und Anlagen, aber auch Produkte,

Behälter oder Werkzeuge sein. Der dezentrale Einsatz

vernetzter maschineller Intelligenz schafft vielfältige

Möglichkeiten zur Steigerung der Produktivität. ahü

FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR ARBEITSWIRTSCHAFT

UND ORGANISATION IAO,

Nobelstraße 12, D-70569 Stuttgart,

Tel. +49 (0) 711 970 21 24, Internet: www.iao.fraunhofer.de

ALLES DIGITAL? Das Stuttgarter

Fraunhofer-Institut ermittelt

die Chancen von Industrie 4.0.

Bild: Fraunhofer IAO

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atp edition

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Radar: KIT und RUB

schaffen Spitzenwert

Wissenschaftler am Institut für Hochfrequenztechnik

und Elektronik (IHE) des Karlsruher Instituts für

Technologie (KIT) um Prof. Thomas Zwick und am Lehrstuhl

für Integrierte Systeme der Ruhr-Universität Bochum

(RUB) um Prof. Nils Pohl haben ein Radarsystem

zur Abstandsmessung entwickelt und erfolgreich eingesetzt.

Bei einem gemeinsamen Versuch im Juli dieses

Jahres erreichten die Karlsruher und Bochumer Forscher

mit einer Genauigkeit von einem Mikrometer einen neuen

Rekordwert für Radarabstandsmessungen.

Zur Messung setzen die Wissenschaftler ein Dauerstrichradar

(FMCW-Radar – Frequency Modulated Continuous

Wave Radar) ein, dessen Sender während der

Dauer des Messvorgangs ununterbrochen arbeitet. Die

RUB-Forscher entwickelten die Hardware, die Wissenschaftler

des KIT die Algorithmik. Das Radarsystem mit

speziellem Messaufbau erlaubt die mikrometergenaue

Messung von Abständen bis zu mehreren Metern im Freiraum.

Im Vergleich zu Lasersystemen sind diese kostengünstiger

und bieten die Möglichkeit, absolute Positionen

eindeutig zu messen. Durch den quasi unbegrenzten

Eindeutigkeitsbereich ist das Radar dem Laser weit überlegen.

Künftig soll das Radarsystem verschiedene Messaufgaben

in der Produktions- und Anlagentechnik hochgenau,

vielseitig und kostengünstig ausführen. sky

KARLSRUHER INSTITUT FÜR TECHNOLOGIE (KIT),

Kaiserstraße 12, D-76131 Karlsruhe

Tel. +49 (0) 721 60 84 74 14, Internet: www.kit.edu

Master Energieeffizienz

Die Fachhochschule Brandenburg (FHB) bietet zum

Wintersemester den neuen Studiengang „Energieeffizienz

technischer Systeme“ an. Der Studiengang soll

weiterbildende Kenntnisse auf dem Gebiet der Energieeffizienz

vermitteln. Der Masterabschluss qualifiziert für

vielfältige Aufgaben in Energie- und Umwelttechnik,

Verkehrswesen, Verfahrenstechnik, Gebäudetechnik,

Automatisierungstechnik sowie Informations- und Kommunikationstechnik.

Aufbauend auf den Fachkenntnissen des jeweiligen

Bachelorstudiums vertieft der interdisziplinäre Masterstudiengang

durch einen systematischen Ansatz die

Schwerpunkte der Energieeffizienz. In verschiedenen

fachlichen Richtungen werden ausgewählte Problemstellungen,

wie etwa Systeme der erneuerbaren Energien,

Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz

im System Bahn, der Systementwurf, die Gebäudeversorgungstechnik

sowie Fragen der Automatisierung

und Simulation technischer Systeme behandelt. Praktische

Erfahrungen lassen sich in einem interdisziplinären

Projekt sammeln, an das sich die Masterarbeit

inhaltlich anschließt.

ahü

FACHHOCHSCHULE BRANDENBURG,

Magdeburger Straße 50, D-14770 Brandenburg an der Havel,

Tel. +49 (0) 3381 35 50, Internet: www.fh-brandenburg.de

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atp edition

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11

BRANCHE

Von der Handdrossel zum smarten Stellgerät –

75. Namur-Hauptsitzung 2012 in Bad Neuenahr

Bei der Automatisierung von verfahrenstechnischen

Prozessen spielt neben der Prozessleittechnik und der

Sensorik die Aktorik eine wichtige Rolle. Daher widmet die

Namur ihre 75. Hauptsitzung diesem vielseitigen Thema.

Die Veranstaltung wird am 8. und 9. November 2012 in

Bad Neuenahr einen thematischen Bogen von den Anfängen

der einfachen, mechanischen bis zur heutigen

komplexen, smarten Aktorik mit Zukunftspotenzial für

weitergehende prozesstechnische Aufgaben spannen.

Zu den Arbeitspferden der Prozessautomatisierung gehören

die Stellgeräte, die Stoffströme zur Regelung von

Prozessgrößen wie beispielsweise Druck, Temperatur,

Durchfluss und Füllstand beeinflussen. Gab es viele Jahrzehnte

in der chemischen Industrie ausschließlich rein

manuelle Bedienmöglichkeiten, so sind heutige Stell geräte

eine ausbalancierte Kombination aus robuster Mechanik und

intelligenter Funktion, bestehend aus optimierten mechanischen

Komponenten und smarten Stellungsreglern.

Mit mehr als 100 Jahren Erfahrung und hoher Fachkompetenz

im Bereich der Stellgeräte-Aktorik sieht die Namur

die Samson Group als idealen Partner für die diesjährige

Hauptsitzung. Dr. Jörg Kiesbauer, im Vorstand der Samson

AG für Forschung und Entwicklung verantwortlich, wird

in seinem Plenarvortrag zunächst darauf eingehen, welche

historische Entwicklung Stellgeräte durchlaufen haben.

Heute ist ein Stellgerät eine Einheit aus Ventil, meist

pneumatischem Antrieb und Anbaugeräten wie Stellungsregler

oder Magnetventil. Durch Kombination ergibt sich

ein modularer, aber auch komplexer Funktionsbaukasten,

der durch Auslegung und geeignete Auswahl der Komponenten

Lösungen für fast jede Anforderung liefert.

Mit dem digitalen Stellungsregler konnten die Funktionen

eines Stellgerätes erheblich erweitert werden.

Hier stehen vor allem Diagnosefunktionen im Vordergrund.

Diese sind mittlerweile so weit fortgeschritten,

dass sich Stellgeräte heute je nach Aufgabenstellung als

hochkomplexe mechatronische Einheiten präsentieren.

Ursprünglich gingen die Entwicklungen zur Fehlerdiagnose

der Stellgeräte von den Regelventilen aus. Inzwischen

zeichnet sich auch ein Trend zur Fehlerdiagnose

bei automatisierten Auf/Zu-Ventilen ab. Weit verbreitet

ist hier bereits der Teilhubtest (Partial Stroke Test) beim

Emergency-Shutdown-Ventil, bei dem in dieser Ausprä-

MODERNE AKTORIK spielt

für die Automatisierung

verfahrenstechnischer

Prozesse eine wichtige

Rolle – und sie bestimmt

thematisch die Namur-

Hauptsitzung

gung neben dem Magnetventil als Steuereinheit für die

Sicherheitsabschaltung ein zusätzlicher Stellungsregler

hauptsächlich als Diagnosegerät zum Einsatz kommt.

Die Mittel der Diagnose ermöglichen heute die Klassifikation

der Diagnoseergebnisse in Form von eindeutigen

Statusmeldungen. Auch diese aktuellen Themen wird

die diesjährige Hauptsitzung aufnehmen und von verschiedenen

Seiten beleuchten.

Dem Hauptvortrag des diesjährigen Partners Samson

in der Plenarsitzung am Donnerstagvormittag folgen drei

Beiträge aus der Namur, die Aspekte aus dem breiten

Spektrum des Hauptvortrages aufgreifen und sich aus

der Sicht der Anwender mit aktuellen Themen des Stellgeräte-Engineering,

der Entwicklung der Gerätediagnose

zum Informationsmanagement und der funktionalen

Sicherheit befassen werden.

Viele Workshop-Beiträge aus den Arbeitsfeldern der

Namur, weitere Beiträge sowohl von Samson und als auch

aus der Namur zum diesjährigen

Schwerpunkthema Aktorik sowie ein

interessantes Programm am Freitagvormittag

mit dem Schwerpunkt „Integriertes

Engineering“ versprechen,

die Namur-Hauptsitzung zu einem außergewöhnlichen

Automatisierungs-

Event werden zu lassen. gz

NAMUR-GESCHÄFTSSTELLE,

c/o Bayer Technology Services GmbH,

Gebäude K 9, D-51368 Leverkusen,

Tel. +49 (0) 214 307 10 34,

Internet: www.namur.de

DR. JÖRG KIESBAUER, im

Samson-Vorstand für Forschung

und Entwicklung

verantwortlich. Bilder: Samson

NEUERSCHEINUNG: RECKNAGEL

Recknagel 2013/2014 – Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik

Seit über 100 Jahren setzt der Oldenbourg Industrieverlag mit dem Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik – kurz Recknagel

oder auch Recknagel-Sprenger genannt – den Maßstab für die Wissensvermittlung in der Heizungs-, Lüftungs- und Klima-

Branche (HLK). Für Generationen von Technikern und Ingenieuren war und ist der Recknagel das maßgebende Standardwerk

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HERAUSGEBER: Hermann Recknagel, Eberhard Sprenger, Ernst-Rudolf Schramek

Auflage 2013/14, ca. 1900 Seiten, Basisversion Print, 149,90 Euro

12

atp edition

10 / 2012

„Integrated Industry“ ist

Leitthema der HMI 2013

Mit dem Leitthema „Integrated Industry“ rückt die

Hannover Messe Industrie vom 8. bis 12. April 2013

nach eigenen Angaben die zunehmende Vernetzung aller

Bereiche der Industrie in den Mittelpunkt. „Integrated

Industry“ beschreibe neben der technischen und elektronischen

Vernetzung die Herausforderung an alle Teilbereiche

der Industrie, unternehmens- und branchenübergreifend

zusammenzuarbeiten. Kommunikationswege

können so verkürzt und Zusammenarbeit effizienter

werden. Die zunehmende Vernetzung ist unter dem

Stichwort „Industrie 4.0“ Kernprojekt der Hightech-

Strategie der deutschen Bundesregierung. Wirtschaftsexperten

gehen davon aus, dass der Grad der Vernetzung

der Industrie entscheidender Erfolgsfaktor im internationalen

Wettbewerb der Unternehmen und der Volkswirtschaften

sein wird. Mit Themen wie Embedded

Systems und Smart Production stehen auf der Industrial

Automation, einer Teilmesse der HMI 2013, integrierte

Automatisierungsprozesse im Vordergrund. Anhand von

intelligenten Produktionssystemen und -verfahren sowie

der Realisierung und Koordination von vernetzten geografisch

verteilten Produktionsstätten werde „Integrated

Industry“ erlebbar.

ahü

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Internet: www.messe.de

Querschnittstechnologien

für Ressourceneffizienz

Klare Forderungen an die Verfahrenstechnik und Geowissenschaft

stellt das Positionspapier „Aufbereitungstechnik“

der ProcessNet-Fachgruppen Zerkleinern/

Klassieren und Grenzflächenbestimmte Systeme und

Mechanische Flüssigkeitsabtrennung. Die Verknappung,

die Erschließung und Verarbeitung neuer Rohstoffe stellen

besondere Anforderungen an die Verfahrenstechnik.

Experten aus Industrie und Wissenschaft haben analysiert,

wie sich die Rohstoffbasis verändert und welche

angepassten Verfahren notwendig sind, um neue Quellen

effizient zu nutzen. Eine entscheidende Rolle für den

wirtschaftlichen Einsatz biotechnologischer Prozesse

spielten außerdem Adsorption, Extraktion und Chromatographie

sowie hybride Verfahren.

ahü

DECHEMA – GESELLSCHAFT FÜR CHEMISCHE TECHNIK

UND BIOTECHNOLOGIE E.V.,

Theodor-Heuss-Allee 25, D-60486 Frankfurt am Main,

Tel. +49 (0) 69 756 40

Internet: www.dechema.de

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6 / 2012

13

PRAXIS

Wenn kapazitive Messtechnik versagt:

Drehflügelmesser optimiert Müllverbrennungsprozess

Quickborner Lösung kommt in deutsch-niederländischer Anlage zum effizienten Einsatz

Der Drehflügelmesser MBA 200 gibt Informationen

über die Füllstände im Rauchgasbunker der Recyclingfirma

EVI Abfallverwertung B.V. & Co KG. Er kann

als Voll- und Leermelder in dem feinen Restgut effizient

eingesetzt werden.

EVI PRODUZIERT GRENZÜBERSCHREITEND

ENERGIE AUS MÜLLVERBRENNUNG

Europa produziert jährlich 1,8 Milliarden Tonnen Abfall,

von dem trotz eingeführter Recycling-Aktivitäten

Tonnen an Restmüll übrigbleiben. Diese Reste bilden

als wertvoller Brennstoff die Grundlage zur Energieerzeugung.

Das niederländisch-deutsche Unternehmen

EVI Abfallverwertung B.V. & Co KG nahe Coevorden

und Emlichheim/Laar hat sich dies zur Aufgabe

gemacht. Am Standort betreibt das Unternehmen eine

Müllverbrennungsanlage: die „Europark Verbrennings

Installatie“ (EVI). Insgesamt 365 000 Kilogramm pro

Jahr an Gewerbe- und Haushaltsmüll verbrennt die

gesamte Anlage und erreicht damit eine elektrische

Leistung von 46 MVA el beziehungsweise eine thermische

Leistung von 2 x 76 MW th .

Die Anlage von EVI arbeitet grenzüberschreitend.

Während die Verbrennungsanlage auf deutschem Gebiet

steht, wird auf niederländischem Territorium mit der

Turbine und dem Generator Elektrizität erzeugt. EVI produziert

im Verbrennungsprozess Dampf, der als thermische

Energie über einen Turbinenrotor an einen 70-Megawatt-Generator

geleitet wird. Im Generator wird die

Rotorenergie in elektrischen Strom mit einer Spannung

von 10 000 Volt umgewandelt. Insgesamt deckt EVI mit

seiner hergestellten Energie 0,4 Prozent des gesamten

niederländischen Strombedarfs.

KAPAZITIVE MESSTECHNIK FÜR

FEINES FILTERGUT UNGEEIGNET

Der wichtigste Teil nach der Energieerzeugung ist für

den Betrieb eines solchen Unternehmens die Rauchgasreinigungsanlage

(RRA). Schadstoffe, die bei der Müllverbrennung

entstehen, werden hier aus dem Rauchgas

entfernt. Additive wie Natriumbikarbonat und Hochofenkoks

absorbieren Schwefeldioxid, Kohlenwasserstoffe

und Schwermetalle im Reinigungsvorgang und neutralisieren

sie. Anschließend wird das Rauchgas in eine

Kammer durch Schlauchfilter geleitet, an denen die festen

staubförmigen Partikel als Filterkuchen haften bleiben.

Von Zeit zu Zeit wird dieser Filterkuchen mit Druckluft

gereinigt.

Im Filterbunker gibt es zwei Optionen: Im Normalfall

wird das Material mittels einer Regelklappe dem

Absorber erneut zugeführt, da die Additive mehrmals

im Filtervorgang genutzt werden. Sammelt sich im

Bunker jedoch zu viel Filtermaterial an, leitet eine

Zellenradschleuse bestimmte Mengen direkt an die

Produktsilos weiter.

Für die Ermittlung des Füllstands im Bunker nutzte

EVI bisher die kapazitive Messtechnik. Ein Problem

für diese Messtechnik besteht im Unterdruck, der im

DURCHGANG AM RAUCHGAS-BUNKER der Müllverbrennungsanlage.

Hier kommt der Drehflügelmesser zum Einsatz.

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atp edition

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Auffangbunker herrscht. Das Material aus der Rauchgasreinigung

ist extrem fein. Es fließt förmlich, besonders

im warmen Zustand, und neigt daher leicht zu

ungleicher Verteilung.

Die Rauchgasasche verhält sich somit ähnlich wie

Mehl. Geringe Mengen sind leicht und wirbeln stark auf.

Große Mengen hingegen werden träge und setzen sich

ab. Es entstehen Aufschüttungen, zwischen denen sich

Krater und Leerräume bilden. Geschieht dies direkt am

kapazitiven Sensor, entstehen Fehlsignale, die einen vollen

oder leeren Bunker melden. Durch diese Fehlmessungen

konnte der genaue Füllstand im Filterbunker

nicht ermittelt werden.

DREHFLÜGELANZEIGER GIBT FÜLLSTAND

ZUVERLÄSSIG AN

Für die speziellen Anforderungen in der Messung der

Rauchgasrückstände hat EVI eine Lösung gesucht, die

trotz des feinen Guts zuverlässig den Füllstand anzeigt.

Der Betreiber entschied sich für den Drehflügelanzeiger

MBA 200 von der MBA Instruments GmbH

aus Quickborn. Hauptvorteil des Drehflügelanzeigers ist

Feldbusunabhängig

in den Ex-Bereich!

Das WAGO-I/O-SYSTEM 750 ist sowohl für den Einsatz in nicht

explosionsgefährdeten als auch in explosionsgefährdeten Bereichen der

Industrie und des Bergbaus ausgelegt.

Im industriellen Ex-Bereich kann das WAGO-I/O-SYSTEM 750 in der

Zone 2 / 22 eingesetzt werden und bietet eine sichere, einfache und

wirtschaftliche Verbindung zur Sensorik und Aktorik der Zone

0 / 20 und 1 / 21.

Die hierfür entwickelten Ex i Busmodule bilden hierbei ein eigensicheres

Segment, das integriert in einen Standardbusknoten dem Anwender

sämtliche Vorzüge moderner Feldbustechnik bietet: Feldbusunabhängigkeit,

Flexibilität, Modularität, IEC 61131-3 Programm ierbarkeit, Zuverlässigkeit,

Wirtschaftlichkeit, etc.

Zur Verfügung stehen die Ex i Busmodule: Digital Eingang NAMUR, Digital

Ausgang, Analog Eingang 4-20mA, Analog Eingang 4-20mA HART,

Analog Eingang RTD, Analog Eingang TC, Analog Ausgang 0-20mA und

die Ex i Einspeisung 1,0A.

Zertifiziert nach ATEX, IEC-EX, UL ANSI/ISA 12.12.01, UL 508 und

Schiffbau (u.a. GL, LR).

die Einsatzmöglichkeit als Voll- und Leermelder in fast

allen Schüttgütern. Als Vollmelder verhindert das Gerät

das Überlaufen des Bunkers auch dann, wenn Störungen

wie Spannungsausfall oder Drahtbruch in der Zuleitung

auftreten. Mit der Laufüberwachung wird die Rotation

der Welle direkt gemessen: Wenn sich die Welle nicht

mehr dreht und gleichzeitig keine Vollmeldung ansteht,

dann wird eine Störung am Gerät angezeigt und gleichzeitig

ein Voll-Signal erzeugt, das die weitere Befüllung

des Silos stoppt. So wird eine Überfüllung des Silos oder

Bunkers verhindert. Eine grüne Betriebskontrollleuchte

zeigt die Funktion des MBA 200 permanent an.

Das Gerät besitzt einen großen Klemmenraum für den

Anschluss der Kabel und einen drehbaren Gerätekopf

zur exakten Ausrichtung nach der Montage. Entsprechend

der speziellen Prozessbedingungen hat EVI den

MBA 200 für höhere Temperaturen bis 200° Celsius gewählt.

Je nach Material lassen sich unterschiedliche

Wellen und Flügel nutzen.

Da es sich bei dem Material in der Verbrennungsinstallation

um extrem feines Pulver handelt, hat EVI sich

für den einseitigen Flügel entschieden. Bei waagerechwww.wago.com

atp edition

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PRAXIS

IM RAUCHGASBUNKER der Müllverbrennungsanlage

kommt der Drehflügelmesser zum Einsatz.

DIE MÜLLVERBRENNUNGSANLAGE „Europark Verbrennings Installatie“ (EVI)

an der deutsch-niederländischen Grenze.

tem Einbau entsteht so eine größere Kraftübertragung

beim Schaltvorgang für das Signal, wenn der Flügel in

das feine Pulver eintaucht.

Auch wirtschaftlich ist die exakte Messtechnik mittels

Drehflügel von Vorteil. Die im Reinigungsprozess zugegebenen

Absorbentien richten sich nach der Beschaffenheit

des Rauchgases. „Bei der alten Messtechnik war oft

nicht eindeutig klar, ob das Produkt abgefördert werden

musste. Auf längere Zeit sind solche mutmaßlichen Entscheidungen

wirtschaftlich untragbar“, sagt Maik Lübbermann,

Leiter Instandhaltung bei EVI und fügt hinzu:

„Aufgrund der Laufüberwachung des Drehflügelmelders

im Bunker erhält die Leittechnik gesicherte Signale, wodurch

die Abförderung im Filterbunker jetzt optimiert

und damit effizient abläuft.“

Insgesamt hat die deutsch-niederländische Müllverbrennungsanlage

25 Sensoren von MBA Instruments

bezogen. In den vier Filterkammern werden 24 Geräte

eingesetzt, wobei pro Kammer sechs Geräte messen. Diese

sind eingeteilt nach MIN, MAX 1, was einem Voralarm

entspricht, und MAX 2, was „Bunker voll“ bedeutet.

Zusätzlich hat EVI ein Gerät als Reserve eingelagert.

Das Unternehmen hat sich für Geräte in 24-Volt-Version

entschieden.

AUTOR

MBA Instruments GmbH,

Friedrich-List-Straße 3–7,

D-25451 Quickborn,

Tel. +49 (0) 4106 123 88 80,

E-Mail: info@mba-instruments.de

HANS-HEINRICH WESTPHAL

ist als Geschäftsführer bei

der MBA Instruments GmbH

tätig.

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10 / 2012

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Oldenbourg Industrieverlag oder vom Vulkan-Verlag □ per Post, □ per Telefon, □ per Telefax, □ per E-Mail, □ nicht über interessante, fachspezifi sche Medien- und Informationsangebote informiert und beworben werde. Diese Erklärung kann ich mit Wirkung für

die Zukunft jederzeit widerrufen.

PRAXIS

Mit effizienter Steuerungs- und Antriebstechnik

den Maschinenausstoß verdoppelt

Wöhler-Brush-Tech-Anlagen zur Bürstenherstellung erzielen mit B&R-Technik Spitzenleistungen

Moderne Steuerungs- und Antriebstechnik unterstützt

die Wöhler Brush Tech GmbH nachhaltig in ihrem

Erfolg. Der Spezialist für halbautomatische und vollautomatische

Maschinen zur Herstellung technischer Bürsten

vermeldete jüngst mehrere Weltbestleistungen seiner

Streifenbürsten maschine SBM92.

Bis zu 40 Meter Streifenbürsten pro Minute lassen sich

auf der Bürstenmaschine SBM92 vollautomatisch produzieren.

Sie ist damit nach Angaben des Herstellers die

schnellste Streifenbürstenmaschine der Welt. Vor nicht

einmal zehn Jahren war bereits bei etwa 10 Metern pro

Minute das Maximum erreicht. „Es ist uns seit dem immer

wieder gelungen, den Durchsatz stufenweise anzuheben“,

erläutert Rudolf Brenken, langjähriger Geschäftsführer

der Wöhler Brush Tech GmbH. „Zuletzt haben wir

den Maschinenausstoß sogar verdoppelt. B&R und die

Steuerungs- und Antriebstechnik des Unternehmens

haben dabei eine entscheidende Rolle gespielt.“

100 STATT 70 SCHNITTE DANK NEUEM ANTRIEB

So konnte die Produktionsleistung des Abschneidmoduls,

mit dem die Streifen auf die gewünschte Länge

gebracht werden, durch den Austausch technisch weniger

leistungsfähiger Servoantriebe gegen entsprechende

B&R-Lösungen von 70 auf 100 Schnitte pro Minute gesteigert

werden. „Mehr ließ die Mechanik nicht mehr zu.

Die zu bewegende Masse des nach dem Prinzip der fliegenden

Säge arbeitenden Systems war dafür schlicht zu

groß“, erläutert der Manager. „Damit wollten wir uns

nicht zufrieden geben und haben uns auf die Suche

40 METER STREIFENBÜRSTEN

pro Minute lassen sich auf der

Bürstenmaschine SBM92

vollautomatisch produzieren.

ÜBER DEN TOUCH SCREEN der Maschinensteuerung

– ein Power Panel von B&R – kann der Anwender die

Nutform sowohl direkt am Bildschirm als auch über

den Aufruf eines neuen Rezepts ändern.

Bilder: Wöhler Brush Tech

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atp edition

10 / 2012

nach neuen Ansätzen gemacht. Dabei haben wir uns

deutliche Verbesserungen zum Ziel gesetzt.“

Thorsten Schumacher, Leiter der Konstruktionsabteilung

von Wöhler entwickelte daraufhin das MSA 30

für den Einsatz in Streifenbürstenmaschinen. Dieses

Schneidaggregat kann bis zu 500 Schnitte pro Minute

durchführen und setzt damit Wöhler zufolge einen neuen

Geschwindigkeitsrekord. Das Herzstück des Moduls

bilden drei, von zwei B&R-Motoren angetriebene, rotierende

Messer. Sie schneiden bis zu 15 mm starke Streifenbürsten

ab und drücken die Enden dabei gleichzeitig

so zusammen, dass der Bürstenbesatz nicht aus dem

Profil rutschen kann. Die Ansteuerung der Motoren erfolgt

mit Umrichtern aus der B&R-Acoposmulti-Familie

in Kombination mit einer Kurvensteuerung.

DIE NUTFORM VIA TOUCHSCREEN ÄNDERN

Geräte aus dieser Serie sind auch an einem weiteren Rekord

beteiligt: Sie treiben den Motor der von Wöhler

ebenfalls neu entwickelten Nutvorrichtung Nut 10 an,

die inline bis zu 70 Fenster pro Minute in den Bürstenbesatz

stanzt und so für die typischen Aussparungen im

Besatz von Staubsaugerbürsten sorgt. „Ein Novum ist,

dass die Nutform vom Anwender über den Touchscreen

der Maschinensteuerung Power Panel von B&R sowohl

direkt am Bildschirm als auch über den Aufruf eines

neuen Rezepts geändert werden kann“, sagt Wöhler-

Geschäftsführer Brenken.

Von den Vorteilen einer frei programmierbaren Highspeed-Nutvorrichtung

war auch der deutsche Auftraggeber

der Maschine begeistert, wie Konstruktionsleiter

Schumacher berichtet: „Die von uns im Vorfeld garantierte

Produktionsgeschwindigkeit konnten wir mit tatkräftiger

Unterstützung von B&R zur Überraschung des

Auftraggebers noch übertreffen.“

MEHRERE ARBEITSSCHRITTE VEREINIGT

Bis es soweit war, gab es aber einige Hürden zu nehmen,

berichtet Konstruktionschef Schumacher: „Zwischen

Steuerung und Antrieben müssen große Datenmengen

übertragen werden. Eine Ursache ist, dass die Maschine

mit zwei Nutvorrichtungen ausgestattet ist, die online

mit dem Nutmuster versorgt werden müssen. Zudem

müssen vier Servoachsen – jeweils eine Achse pro Nutvorrichtung,

die Servoachse des Sortierers und die Servoachse

des MSA – einer virtuellen Masterachse synchron

folgen. Dabei muss eine Zykluszeit von einer Millisekunde

erreicht werden.“ Wöhler hat diese Anforderung

mit einer Kombination aus einem Power Panel und

dem Bussystem Powerlink erfüllt und damit mehrere

Arbeitsschritte auf einer Maschine vereinigen sowie den

Durchsatz verdoppeln können.

Neben der Möglichkeit, die Antriebe über Powerlink

an die Steuerung anzubinden, nutzt Wöhler erstmals die

B&R-I/O-Module des X20-Systems zur Einbindung weiterer

Maschinenmodule in die Automatisierungsarchitektur.

Dazu gehört ein laserbasiertes Besatzmesssystem,

dessen hochgenaue Messergebnisse auf dem Touchscreen

der Maschinensteuerung live angezeigt und zur Regelung

des Sortierers genutzt werden.

„Die Automatisierungsarchitektur der SBM92 setzen

wir aber nicht durchgängig in all unseren Maschinen

ein“, stellt Rudolf Brenken klar. „Bei halbautomatischen

beziehungsweise einfacheren, weniger anspruchsvollen

Maschinen bevorzugen wir CAN in Verbindung mit kleineren

Geräten der Power-Panel-Familie. Die Skalierbarkeit

der B&R-Lösung sowie das große Produktspektrum

waren schon vor fast zehn Jahren entscheidende Argumente,

warum wir uns für B&R entschieden haben.“

KLARE VISUALISIERUNG FÜR DEN BEDIENER

Kunden leisten sich heute keine längeren Entwicklungszeiten

mehr. „Üblich sind Durchlaufzeiten von zirka

einem halben Jahr“, verrät Rudolf Brenken. Unkonventionelles,

lösungsorientiertes Denken und Handeln beweist

der Maschinenbauer auch hier: „Es macht dem

Ertragsgesetz nach keinen Sinn, jeden Fehler, der vom

Maschinenbediener schnell selbst behoben werden kann

und der kaum Folgen nach sich zieht, mit großem technischen

und personellen Entwicklungsaufwand beheben

zu wollen. Dies würde nur die Kosten unvertretbar erhöhen

und die Lieferzeit verlängern“, erläutert Konstruktionsleiter

Thorsten Schumacher. „Entscheidend ist vielmehr,

dafür zu sorgen, dass sich der Fehler vom Maschinenbediener

schnell beheben lässt und keine Experten

hinzugezogen werden müssen.“

Das Unternehmen setzt auf die Stärken einer Visualisierung,

die den Bediener mit verständlichen Fehlerinformationen

und klaren Anleitungen zur Problembehebung

befähigt. Kann der Bediener oder das Wartungspersonal

vor Ort einen Fehler trotzdem nicht lösen,

leisten die Spezialisten von Wöhler via Fernwartungszugriff

Hilfestellung.

AUTOR

MARTIN STEINBACH ist

Vertriebsingenieur bei B&R

mit eigenem Vertriebsbüro

in Hagen/Westfalen.

B&R Industrie-Elektronik GmbH,

Norsk-Data-Straße 3,

D-61352 Bad Homburg,

Tel. +49 (0) 2331 95 21 00,

E-Mail: martin.steinbach@br-automation.com

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19

PRAXIS

Energiebus- und Anschluss-System für dezentrale

Energieverteilung vereinfacht neue Förderstrecke

Gesamtes Logistikzentrum von Geberit wurde mit einer 2-Leitungs-Lösung automatisiert

Mit einem modernen Antriebskonzept konnte der

Sanitärtechnikhersteller Geberit die Lagerlogistik

in seinem Produktionswerk in der Schweiz wesentlich

ein facher und schneller aufbauen als ursprünglich

veranschlagt. Die Kombination aus einem dezentralen

Antriebssystem von MSF-Vathauer Antriebstechnik mit

dem „Field-Power“-Energiebus- und Anschlusssystem

von Weidmüller erlaubte es, mit drei modular aufgebauten

Schaltschränken mit 1,20 m Breite und 3 km Leitung

auszukommen. Die erste Planung hatte noch 12 m Schaltschrank

und rund 36 km Kabel vorgesehen. Die gesamte

Installationszeit wurde gegenüber der Ursprungsplanung

halbiert.

Die im Jahr 1874 gegründete Firma Geberit gehört zu

den führenden Unternehmen in der europäischen Sanitärtechnik.

Die Geberit-Gruppe will ihre Fertigware

nicht mehr im schweizerischen Werk Jona bei Rapperswil

einlagern, sondern per Lastwagen direkt in ein

Zentrallager im deutschen Pfullendorf transportieren.

Dazu erweitert Geberit den Standort Jona mit einem

Anbau, in dem ein fahrerloses Transportsystem die

palettierte Fertigware aus der Produktion zweilagig

auf einen Kettenförderer ausgibt.

AUS DER FERTIGUNG DIREKT ZUR LKW-VERLADUNG

Ein Entstapler vereinzelt die Transporteinheiten und

übergibt sie über einen Lift an eine an der Decke befestigte

Förderstrecke. Am Ende dieser Strecke gelangen die

Transporteinheiten über einen Lift in einen außerhalb

des Gebäudes angebauten horizontalen Förderkanal.

Nach dem Förderkanal werden die Paletten wieder zweilagig

gestapelt. Ein Teil der Transporteinheiten gelangt

auf direktem Weg über eine Kettenförderstrecke zu einem

weiteren Stapler. Dort werden optimale Stapeleinheiten

für die maximale Höhe eines Lkw-Aufliegers erstellt.

Anschließend gelangen sie in den Bereitstellungsraum

zum Verladen auf die Lastwagen. Ein anderer Teil

der Transporteinheiten wird im Pufferlager zwischengelagert,

sie stehen dort für die Erstellung optimaler Stapeleinheiten

zur Verfügung.

Für die Lösung dieser Logistikaufgabe zeichneten die

Först-Unternehmensgruppe, MSF-Vathauer Antriebstechnik

sowie deren Schweizer Importeur Referenz Tech nik

AG verantwortlich. Zum Einsatz kommen dort Lagerhaltungssoftware

von Först und dezentrale Antriebssysteme

von MSF-Vathauer Antriebstechnik auf Basis des Field-

Power-Systems von Weidmüller. Dieses Energiebus- und

Anschluss-System für die dezen trale Energieverteilung

bildet die modulare Basis der MSF-Vathauer-Antriebe

sowie Frequenzumrichter. Es ist für Antriebskonzepte in

der dezentralen Automation konzipiert.

ÜBER EINE NEU ERRICHTETE FÖRDERSTRECKE transportiert

Geberit im Schweizer Werk Jona die fertigen Produkte direkt zur

Lkw-Verladung.

EINE EINHEIT IM FELD REICHT AUS

FieldPower basiert auf ungeschnittenen handelsüblichen

Rund- und/oder Flachleitungen. Das Energiebussystem

mit neuem Anschlusskonzept lässt sich überall

dort einsetzen, wo Energie über weite Strecken verteilt

werden soll. MSF-Vathauer Antriebstechnik integriert

20

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Technik steht

hoch im Kurs ?

als Systempartner seine Motorstarter- und Frequenzumrichter

komplett in dieses Konzept, indem die MSF-

Vathauer-Geräte einfach auf die FieldPower-Box aufgesteckt

werden. Via vorkonfektionierter Leitung erfolgt

der Anschluss zum Motor.

Der Vorteil dieses Konzepts: Der Anwender muss nur

eine Einheit im Feld montieren. Außerdem ist er in der

Motorauswahl frei und herstellerunabhängig. Das System

ist multifunktional, rationell, ökonomisch und flexibel

ausgelegt. Entlang der 200 m langen Gesamtförderanlage

kommen Mono- und Duo-Switch-FieldPower-Geräte von

MSF-Vathauer mit AS-i-Anschluss zum Einsatz. AS-Interface

ist als Standard für die Feldbus-Kommunikation

zum Anschluss von Aktoren und Sensoren entwickelt

worden – beschrieben nach EN 50295 und IEC 62026-2.

90 PROZENT WENIGER KABEL BENÖTIGT

Drei modular aufgebaute Steuerschränke mit einer Breite

von 1,20 m speisen, verteilt auf die gesamte Anlage,

den AS-Interface-Bus sowie die komplette Leistung über

die flexible Stromschiene FieldPower ein. Entgegen der

ursprünglichen Planung mit 12 m Schaltschrank und

zirka 36 km Kabel reduzierte man den Komponenteneinsatz

so weit, das nun zirka 90 integrierte Motoranschaltungen

Mono- und Duo-Switch-FieldPower sowie nur

3 km Leitung zur Automatisierung des Logistikzentrums

ausreichen. Somit gelang es, das gesamte Logistikzentrum

mit einer 2-Leitungs-Lösung – AS-Interface und

Energieeinspeisung – zu automatisieren.

Die Anschlüsse der Sensoren wurden mit Standardleitungen

direkt an den Motorstartern durchgeführt. Es

wurden weniger AS-i-Feldverteiler benötigt und die Installationszeit

reduzierte sich. Durch die einfache und

sehr schnelle Montage der Energieverteilung sowie die

schnelle Installation aller Motoranschaltungen und Sensoren

konnte die gesamte Installationszeit um 50 Prozent

reduziert werden – bei einigen Anlagenmodulen sogar

bis zu 70 Prozent.

REIBUNGSLOSER KOMPONENTENAUSTAUSCH

Durch das modulare Energiebussystem sowie die auf

die FieldPower-Box aufsteckbaren Motorstarter steht ein

frei kombinierbarer Systembaukasten zur Verfügung.

Die Verteilung der Energie erfolgt dezentral über die ungeschnittenen

5-poligen Energieleitungen. Der Abgriff

geschieht idealerweise verbrauchernah an jeder beliebigen

Stelle in der Anlage. Dazu wird die FieldPower-Box

direkt vor Ort montiert und die ungeschnittene Energieleitung

eingelegt. Der sichere und zuverlässige Kontakt

zur ungeschnittenen Energieleitung ist über die IDC-

Kontakttechnologie (Insulation Displacement Connection)

hergestellt.

Auf dieses Basismodul steckt der Monteur wahlweise

einen Motorstarter Mono- oder Duo-Switch beziehungsweise

Mono-Soft- oder Duo-Soft-Switch oder Frequenzumrichter

Vector auf. Somit lassen sich alle Antriebe

optimal an die jeweilige Applikation anpassen. Eine

konsequente Standardisierung aller Anschlüsse ermög-

Danny Siriboe –

begeisterter Hobby

Aktien-Analyst und

Mitarbeiter von

Phoenix Contact.

Wenn Sie Phoenix Contact begegnen, sehen Sie ein international

agierendes Familienunternehmen, das seine Innovationsphilosophie

täglich lebt. Der Stammsitz ist in Blomberg, Nordrhein-Westfalen.

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Unit für alle Fragen zum Thema Explosionsschutz. Dabei zeigen Sie sich mit Ihrer

Expertise verantwortlich für die Prüfung, Bewertung und Freigabe der bereits

projektierten Kunden- und Fertigungsaufträge. Sie erstellen Konformitätserklärungen

anhand von Bewertungsunterlagen und beraten die Entwicklungsteams

beim Ex-technischen Design und der Ex-technischen Auslegung von Produkten

und deren Fertigung. Gegebenenfalls übernehmen Sie auch die Leitung von

Entwicklungsteams für die Entwicklung von kundenspezifi schen Lösungen. Sie

berechnen und überprüfen die in den Normen genannten Grenzbedingungen

für Produkte und die Betreuung deren Zertifi zierung in Zusammenarbeit mit

nationalen und internationalen Zulassungsstellen.

Für diese anspruchsvolle Tätigkeit erwarten wir ein abgeschlossenes Studium

der Fachrichtung Elektrotechnik, Maschinenbau oder Physikalischen Technik. Des

Weiteren sollten Sie bereits erste Berufserfahrung im Bereich Explosionsschutz

und Kenntnisse in den relevanten Normen (zum Beispiel ATEX, IEC, FM, CSA

etc.) vorweisen können. Aufgrund der internationalen Ausrichtung unseres

Unternehmens sind gute Englischkenntnisse von Vorteil. Persönlich überzeugen

Sie uns durch Ihre Organisationskompetenz, Ihre zielorientierte Arbeitsweise und

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atp edition

10 / 2012

21

PRAXIS

DEZENTRALE ANTRIEBSTECHNIK und das FieldPower-

Energiebus- und Anschlusssystem reduzierten für

Geberit den Aufwand der neuen Lagerlogistik erheblich.

ENTLANG DER 200 M LANGEN Gesamtförderanlage

kommen Mono- und Duo-Switch-FieldPower-Geräte

von MSF-Vathauer mit AS-i-Anschluss zum Einsatz.

Bilder: Weidmüller

licht zu jeder Zeit einen reibungslosen Austausch der

Komponenten.

Das Projektierungstool NetCalc unterstützte die Anlagenplanung

bei Geberit und sorgte dafür, dass die integrierte

und flexible Antriebslösung schnell in Betrieb

genommen werden konnte. NetCalc steht für eine effiziente

Planung von Energieverteilungen in Linien- und

Baumstrukturen. Anwender nutzen das Tool für eine

schnelle und übersichtliche Darstellung von Spannungsfall

und Leitungsauslastung. Der Grafikeditor unterstützt

die Erstellung von Linien-, Baum- und vermaschten Netzwerkstrukturen.

Auswahlbibliotheken für Antriebssteuerungen

berücksichtigen den realen Lastbedarf, die Einspeisungen

und Schutzorgane können anlagenspezifisch

ausgewählt und dimensioniert werden. Bereits während

der Eingabe werden die Kenngrößen Spannungsfall und

Strombelastung berechnet und mit einem grün-gelb-roten

Farbumschlag auf den projektierten Leitungen signalisiert.

Projektiert werden AC-Netzwerke mit symmetrischen und

unsymmetrischen Lasten, sowie DC-Netzwerke.

Eine besondere Variante dieser innovativen Antriebslösung

ist der integrierte Frequenzumrichter Vector Field-

Power – eine kompakte dezentrale Einheit für Energieverteilung

und Motorsteuerung. Durch die genormte Kommunikations-Schnittstelle

RS 232 mit M12-Stecker steht ein

schneller und effizienter Zugang für die Parametrierung

des Frequenzumrichters zur Verfügung. Die Parametrierung

erfolgt mithilfe einer PC-Parametriersoftware.

AUTOR

ULRICH TRAPP ist bei

Weidmüller als

Produkt manager

FieldPower-Systeme

in Detmold tätig.

Weidmüller GmbH & Co. KG,

Ohmstraße 9, D-32758 Detmold,

Tel. +49 (0) 52 31 142 80,

E-Mail: ulrich.trapp@weidmueller.de

22

atp edition

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Sprechstunde

3. Explosionsschutz-Sprechstunde

Explosionsschutz

14. + 15.11.2012, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH

www.explosionsschutz-sprechstunde.de

§ 12

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Programm

Moderation: Dr. Andreas Hildebrandt,

Pepperl+Fuchs GmbH

Wann und Wo?

Typische Fehler bei unterschiedlichen

Zündschutzarten

Der korrekte Nachweis der Eigensicherheit

Fachgerechte Reparatur und Prüfung von

explosionsgeschützten Betriebsmitteln

Anforderungen an die funktionale Sicherheit

beim Explosionsschutz

Referenten

Wolfgang Gohm

Extronic Gohm Consulting

Dr. Andreas Hildebrandt, Gerhard Jung,

Michael Wenglorz, Thomas Westers

Pepperl+Fuchs GmbH

Stefanie Klein

DSM Nutritional Products, Grenzach-Wyhlen

Arnold Staedel

TÜV SÜD Industrie Service GmbH – Niederlassung Nürnberg

Reinhard Wilkens

PTB

Dr. Michael Wittler

Dekra Exam

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Die Explosionsschutz-Sprechstunde gibt Ihnen ausreichend

Gelegenheit, Ihre individuellen Fragen zu stellen und offen

mit den praxiserfahrenen Referenten zu diskutieren.

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www.explosionsschutz-sprechstunde.de.

Termin

Mittwoch, 14.11.2012

Veranstaltung (11:30 – 17:30 Uhr)

„Get-Together“ mit Abendessen (ab 18:30 Uhr)

Donnerstag, 15.11.2012


Ort

Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH

Thema

Installation und Betrieb

explosionsgeschützter Anlagen

Teilnahmegebühr

atp edition-Abonnenten

Firmenempfehlung

540 € zzgl. MwSt

590 € zzgl. MwSt

reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt

Frühbucherrabatt 100 €

auf alle Tarife bei Anmeldung bis 28.10.2012

Studenten (Universität, Fachhoch-/Duale Hochschule)

nehmen gratis teil

(Vorlage des Studentenausweises bei der Anmeldung)

Im Preis enthalten sind die Tagungsunterlagen

sowie das Catering (Kaffee, 2x Mittagsimbiss,

„Get-Together“ mit Abendessen).

Veranstalter

Weitere Informationen und Online-Anmeldung unter

www.explosionsschutz-sprechstunde.de

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10 / 2012

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BRANCHE

Oberflächeninspektionen nutzen bei

unterschiedlichen Anforderungen den Piezoeffekt

Weißlichtinterferometrie, konfokale Mikroskopie und Nanoindentierung unter die Lupe genommen

Oberflächeninspektionen sind heute in vielen Bereichen

obligatorisch. Dabei geht der Trend zu immer

kleineren Strukturen, etwa bei der Prüfung von Nanobeschichtungen.

Je nach Aufgabenstellung haben sich

unterschiedliche Verfahren bewährt. Die Palette reicht

von der Weißlichtinterferometrie und konfokalen Mikroskopie

über hochauflösende Kamerasysteme, die dreidimensionale

Untersuchungen ermöglichen, bis hin zur

Nanoindentierung, die bei Material- und Härteprüfungen

Verwendung findet. Auch das sogenannte Structural

Health Monitoring, also die Zustandsüberwachung von

Strukturen, gehört in diesen Bereich. All diese Verfahren

haben dabei mindestens eine Gemeinsamkeit: Gäbe es

den Piezoeffekt nicht, könnten sie nicht mit der geforderten

Genauigkeit und Zuverlässigkeit funktionieren.

Piezoelemente bieten viele Möglichkeiten, da sie sich

sowohl aktorisch als auch sensorisch nutzen lassen.

NANOSTELLTECHNIK VERWENDET PIEZOKERAMIKEN

Die Anforderungen, die Oberflächeninspektionssysteme

an die eingesetzten Positioniersysteme stellen, beschränken

sich nicht nur auf die Positioniergenauigkeit. Wichtige

Parameter sind oft die realisierbaren Stellwege, hohe

Geschwindigkeiten zur Steigerung des Durchsatzes

bei großen zu untersuchenden Flächen oder konstante

Verfahrgeschwindigkeiten zur exakten Zuordnung von

Messwerten und die Lebensdauer. In der Nanostelltechnik

werden deshalb heute Piezokeramiken verwendet,

die diese Anforderungen erfüllen.

So spielen auf Piezokeramik aufbauende Aktoren im

praktischen Einsatz all ihre positiven Eigenschaften aus:

Sie sind wartungsfrei, weil sie keine im klassischen Sinn

bewegten Teile haben. Da die Bewegung auf kristallinen

Festkörpereffekten beruht, gibt es keine rotierende oder

reibende Mechanik. Dadurch lassen sich Bewegungen

im Sub-Nanobereich mit hoher Geschwindigkeit realisieren.

Piezoaktoren verbrauchen außerdem im statischen

Betrieb keine Energie, denn sie wirken elektrisch

wie kapazitive Lasten.

Die piezobasierten Positioniersysteme der Karlsruher

Firma Physik Instrumente (PI) finden in vielen, teilweise

sehr unterschiedlichen Verfahren zur Oberflächenmesstechnik

Verwendung. Die auf die jeweiligen Positioniersysteme

abgestimmten, analogen oder digitalen Controller

ermöglichen eine einfache Integration in die jewei -

lige Applikation und auch die für das hochpräzise Positionieren

notwendige Sensorik ist inbegriffen.

3D-OBERFLÄCHENINSPEKTION:

PIEZOAKTOREN IN DER INTERFEROMETRIE

Die Prüfung technischer Oberflächen erfordert zunehmend

berührungslose und zerstörungsfreie Verfahren,

die eine hochpräzise Messung der Oberflächentopographie

ermöglichen. Mit dem Weißlichtinterferometrie-

Verfahren lassen sich Messungen von Ebenheiten, Höhenabständen,

Parallelitäten oder anderen Oberflächeneigenschaften

schnell und mit hoher Wiederholgenauigkeit

durchführen, entweder mit telezentrischer Optik

WEISSLICHT-INTERFEROMETER zum Messen von

Ebenheiten, Stufen und Parallelitäten. Bild: Polytec

WEISSLICHT-INTERFEROMETER nutzen die Interferenzeffekte,

die bei der Überlagerung des vom Messobjekt

reflektierten Lichts mit dem von einem hochgenauen

Referenzspiegel zurückgestreuten Licht auftreten. Bild: PI

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atp edition

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Mit Sicherheit

kompetent

für große Messvolumina oder lateral hochauflösend mit

Mikroskopoptik. Telezentrische WLI-Systeme eignen

sich für die Vermessung von Oberflächenstrukturen

großer Flächen. Innerhalb weniger Sekunden und in

einem einzigen Messvorgang können Messfeldgrößen

von mehreren 100 Quadratmillimetern mit einer Auflösung

bis zu einigen Mikrometern dargestellt werden.

Um feinste laterale Strukturen zu untersuchen, werden

WLI-Systeme in Mikroskope integriert. Das betrachtete

Messfeld beträgt nur wenige Quadratmillimeter bei einer

Messauflösung im Nano- und Subnanometerbereich.

Die Weißlicht-Interferometrie nutzt die Interferenz einer

breitbandigen Lichtquelle. Dabei wird das kollimierte

Weißlicht-Licht in einen Mess- und einen Referenzstrahl

aufgeteilt. Der Messstrahl trifft das Messobjekt, der

Referenzstrahl wird auf einen Spiegel geleitet. Das von

Spiegel und einem Punkt des Messobjekts jeweils zurückgeworfene

Licht interferiert auf einem CCD-Sensor.

Je nach Strukturhöhe und dem daraus resultierenden

optischen Weglängenunterschied zwischen Messarm

und Referenzarm, verändert sich die Intensität des Interferenzsignals

und damit die Information auf dem Sensor.

Je nach Methode wird entweder der Referenzspiegel,

das Interferenzobjektiv oder der gesamte Objektivrevolver

verfahren, um ein konstruktives Interferenzsignal zu

erhalten. Je höher die Anforderung an die Messauflösung,

desto präziser muss die Verschiebung des Referenzspiegels

oder des Objektivs sein.

Mit konventionellen motorischen Antrieben ist dies

jedoch kaum realisierbar. Das Positioniersystem basiert

deshalb auf Piezoaktoren. Sie arbeiten verschleiß- und

reibungsfrei sowie ohne Spiel und eignen sich aufgrund

ihrer Dynamik für hohe Aufnahmefrequenzen,

die für die 3D-Oberflächenmessung in Echtzeit erforderlich

sind. Spielfreie und hochgenaue Festkörperführungen

sorgen gleichzeitig für eine hohe Fokusstabilität.

Auf diese Weise lassen sich in der beschriebenen

Anwendung Wege bis zu mehreren 100 μm realisieren.

Die Verfahrgenauigkeit der Kinematik liegt im

Nanometerbereich.

SIL SIL

SIL NANOINDENTIERUNG: FLEXIBLE WERKSTOFFPRÜFUNG

Eine wichtige Rolle bei der Werkstoffprüfung spielt

die so genannte Nanoindentierung. Sie ist von der klassischen

Härteprüfung abgeleitet, findet aber in viel

kleinerem Maßstab statt. Anwendungsgebiete sind die

Härtebestimmung an dünnen Schichten oder die Bestimmung

von Materialeigenschaften wie Elastizität,

Steifigkeit, plastischer Verformbarkeit oder Bruchfestigkeit

bei kleinen Objekten und Mikrosystemen, etwa

in der Biotechnologie. Dazu wird eine Testspitze mit

einer geringen Kraft auf eine Probe aufgebracht und der

Eindringweg der Spitze gemessen. Aus diesen Messwerten

lässt sich dann die Kontaktfläche errechnen und

daraus wiederum die Materialeigenschaft ermitteln.

Ein besonders flexibles System zur Nanoindentierung

ist der NanoTest, der als aussagekräftiges Testsystem

weltweit in unterschiedlichen Bereichen genutzt wird,

nicht nur in Forschung und Entwicklung, sondern auch

in der Produktion und beim Test von Fertigprodukten.

Je nach Anwendungsfall lässt sich die Methode der

Krafterzeugung und die Geometrie der Testspitze, der

so genannte Indentation-Tip, variieren. Das System ist

für viele unterschiedliche Materialien geeignet, da die

Testspitze je nach Betriebsart mit Kräften zwischen

30 nN und 500 mN arbeitet und sich Eindringtiefen

A01039DE

Mit den Stellventilen Typ 3241 von

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sicheren Seite. Dank ihrer hohen

MTBF brauchen Sie sich um einen

Ausfall nicht zu sorgen.

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und 3731. Mit ihrem zertifizierten

Magnetventil und dem induktiven

Grenzkontakt führen sie die Sprungantworttests

automatisch durch und

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BRANCHE

zwischen 0,1 nm und 50 μm messen lassen. Diese Aufgabe

übernehmen wieder die bereits erwähnten hochauflösenden

kapazitiven Sensoren.

NANOPOSITIONIERSYSTEM FÜR EINEN PRÄZISEN SCAN

Für die Untersuchung der Probenoberfläche vor und

nach der Indentierung lässt sich die Indentierung außerdem

mit einem bildgebenden Verfahren kombinieren:

Die Indentierungsspitze wird zeilenweise in einem

definierten Raster über die Oberfläche der Probe bewegt,

die Probenoberfläche wird also gescannt. Durch

das punktweise Aufzeichnen der Auslenkungen an der

Spitze lässt sich eine dreidimensionale Abbildung der

Probenoberfläche erzeugen und auswerten. Mit dieser

Kombination aus Indenter und Rastersondenmikroskop

lässt sich also die Oberfläche der Probe bewerten.

Messungen an verschiedenen Stellen sind ohne großen

Aufwand möglich.

Für die zum Scannen notwendigen Bewegungen in x-

und y-Achse sorgt ein piezobasiertes Nanopositioniersystem.

Sein 200 x 200 μm großer Scan-Bereich ermöglicht

genaue Aussagen über die Beschaffenheit der Kontaktfläche

und ihrer Umgebung. Die Positioniergenauigkeit

unterhalb von 3 nm erlaubt eine hohe Ortsauflösung

für den Scan. Zum einen werden so kritische Belastungen

genau einer bestimmten Position zugeordnet, was

wiederum Schlüsse auf die lokalen Materialeigenschaften

zulässt, zum anderen können kleinste Proben anhand

einer Vielzahl von Messpunkten auf engstem Raum

untersucht werden.

Die Bahngenauigkeiten während des Scans werden

durch eine aktive Führung noch verbessert: Auch dabei

messen kapazitive Sensoren eventuelle Abweichungen

in der zur Bewegungsrichtung senkrechten Achse. Ein

ungewolltes Übersprechen der Bewegung (etwa durch

externe Krafteinwirkung) in eine andere Achse kann so

detektiert und in Echtzeit aktiv ausgeregelt werden. Das

ermöglicht eine hohe Bahntreue im Nanometerbereich,

auch bei dynamischem Betrieb. Die dafür notwendige

Steuerung übernimmt ein digitaler Controller. Er ist speziell

auf die mehrachsigen parallelkinematischen Piezo-

Nanopositioniersysteme abgestimmt und garantiert im

dynamischen Betrieb eine hohe Linearität.

STRUCTURAL HEALTH MONITORING:

ZUSTANDSÜBERWACHUNG VON STRUKTUREN

Ein spezielles Gebiet der Oberflächenmesstechnik ist das

Structural Health Monitoring, also die Überwachung des

Zustands von Strukturen. Damit lassen sich kontinuierlich

Anhaltspunkte über die Funktionsfähigkeit von

Bauteilen und Bauwerken erhalten und Schädigungen,

zum Beispiel Risse oder Verformungen, frühzeitig erkennen,

um Gegenmaßnahmen einzuleiten. Auch hier sind

Piezoelemente mit von der Partie: Der DuraAct-Wandler

kann sowohl als Sensor wie auch als Aktor eingesetzt

werden. Er kann Schwingungen erzeugen und ihre Fortpflanzung

in Materialstrukturen messen. Bei einem veränderten

Schwingungsbild sind Fehler in der Struktur

erkennbar, noch bevor Risse entstehen, etwa in Maschinenteilen,

Brücken oder Tragflächen von Flugzeugen.

Grundlage der Wandler ist eine piezokeramische

Folie, die zur elektrischen Kontaktierung beidseitig

mit einem leitfähigen Material bedeckt wird. Anschließend

wird dieser Aufbau in einem biegsamen (duktilen)

Polymerverbundstoff eingebettet. Dadurch erreicht man

gleich dreierlei: Die Piezokeramik wird elektrisch isoliert,

mechanisch vorgespannt und der an sich spröde

Werkstoff wird so robust, dass er sogar auf gekrümmten

Oberflächen mit Biegeradien bis zu 20 mm aufgebracht

werden kann.

Man klebt die Wandler dazu auf das entsprechende

Substrat oder integriert sie direkt in den Verbundwerkstoff

des Substrats. Kundenspezifische Geometrien des

Flächenwandlers lassen sich bei diesem Aufbau ebenso

realisieren wie auf den jeweils benötigten Biegeradius

abgestimmte Form und Dicke der Keramik. Das Gleiche

gilt für die Beschaffenheit der Keramik (in Abhängigkeit

von der Einsatztemperatur) sowie die Gestaltung der

elektrischen Anschlüsse.

AUTOREN

Dipl.-Phys. STEFFEN

ARNOLD ist Leiter „Markt

und Produkte“ bei der

Physik Instrumente (PI)

GmbH & Co. KG

in Karlsruhe.

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG,

Auf der Römerstraße 1, D-76228 Karlsruhe/Palmbach,

Tel. +49 (0) 721 484 60,

E-Mail: s.arnold@pi.ws

ELLEN-CHRISTINE REIFF,

M.A., ist Autorin des

Redaktionsbüros Stutensee.

Redaktionsbüro Stutensee,

Am Hasenbiel 13 – 15, D-76297 Stutensee,

Tel. +49 (0) 7244 73 96 90,

E-Mail: ereiff@rbsonline.de

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atp edition

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BUS

Sprechstunde

BUS

2. Feldbus-Sprechstunde

Feldbus in der Prozessindustrie

22. + 23.01.2013, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH

www.feldbus-sprechstunde.de

Programm

Moderation: Jürgen George,

Pepperl+Fuchs GmbH

Wann und Wo?

+ + NEUER TERMIN! + +

22. + 23.01.2013

Systemplanung: Auswahl der Geräte und Komponenten

Systemplanung: Feldbusinfrastruktur

Systemplanung: Einsatz von Planungstools

Systemplanung: Explosionsschutz und

funktionale Sicherheit

Inbetriebnahme: Hardware-Installation und

-Inbetriebnahme

Inbetriebnahme: Implementierung

Inbetriebnahme: Systematische Fehlersuche

Referenten

Ronny Becker, Prüflabor MSR u. Analysentechnik,

BIS Prozesstechnik GmbH

Dr. Andreas Hildebrandt, Thomas Klatt,

Thomas Westers, Pepperl+Fuchs GmbH

Dr. Niels Kiupel, Degussa GmbH

Sven Seintsch, Prüflabor MSR u. Analysentechnik,

BIS Prozesstechnik GmbH

Termin

Dienstag, 22.01.2013


„Get-Together“ mit Abendessen (ab 18:30 Uhr)

Mittwoch, 23.01.2013


Ort

Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH

Thema

Antworten zur Planung und

Inbetriebnahme von Feldbussen

Teilnahmegebühr

atp edition-Abonnenten

Firmenempfehlung

540 € zzgl. MwSt

590 € zzgl. MwSt

reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt

Studenten

kostenlos

(Universität, Fachhoch-/Duale Hochschule – Vorlage des

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sowie das Catering (Kaffee, 2x Mittagsimbiss,

„Get-Together“ mit Abendessen).

Veranstalter

100 Euro

Frühbucherrabatt

bei Buchung bis zum

14.12.2012

Fragen Sie!

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individuellen Fragen zu stellen und offen mit den praxiserfahrenen

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Stellen Sie Ihre Fragen rechtzeitig unter


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Ich habe die atp edition abonniert

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HAUPTBEITRAG

Reifezeugnis für mechatronische

Entwicklungsprozesse

Status Quo im Maschinen- und Anlagenbau

Die Mechatronik bietet Herstellern erhebliches Potenzial, innovative Produkte zu erzeugen.

Dementsprechend sehen viele Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus die

Mechatronik heute als entscheidenden Wertschöpfungsfaktor. Dennoch hat die Mehrzahl

der Firmen ihre Prozesse nur unzureichend angepasst. Dies lässt sich anhand des in

diesem Beitrag vorgestellten BESTVOR-Reifegradmodells belegen. Weiterhin wird dargestellt,

dass der Entwicklungsprozess von zahlreichen unternehmens- und projektspezifischen

Faktoren abhängig ist, die bei der Gestaltung mechatronischer Entwicklungsprozesse

berücksichtigt werden müssen.

SCHLAGWÖRTER Mechatronik / Entwicklungsprozess / Reifegradmodell / Maschinenbau

Maturity certificate for mechatronic development processes

Status quo in machine and plant engineering

Mechatronics provides manufacturers with a significant potential to generate innovative

products. Many companies in machine and plant engineering see mechatronics as a crucial

factor in creating value. However, the processes of the majority of companies have

not yet changed sufficiently. This can be demonstrated using the BESTVOR maturity

model. It is demonstrated that the development process depends on various organizational

and project specific factors which must be taken into account in the design of mechatronic

development processes.

KEYWORDS mechatronics / development process / maturity model / mechanical engineering

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atp edition

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BERND SPIEGELBERGER, ITQ

MANFRED BONETSMÜLLER, Somic

RAINER STETTER, ITQ

BERNHARD KAUSLER, ITQ

Umfragen haben ergeben, dass 90 Prozent der

echten Innovationen (im Unterschied zu

Detailverbesserungen) in der Maschinenbaubranche

im Bereich der Informationstechnik

realisiert werden [2].“

Die Integration von Komponenten unterschiedlicher

Fachbereiche, wie der Mechanik, Hydraulik, Pneumatik,

Elektronik oder Informationstechnik zu einem

mechatronischen System erlaubt es, dem Kunden einen

erheblichen Mehrwert zu offerieren. Dies hat dazu

geführt, dass immer mehr Produktfunktionen durch

Software realisiert werden. Die sich daraus ergebenden

Chancen, innovative Produkte zu erzeugen, verdeutlichen

Beispiele aus unterschiedlichen industriellen

Bereichen.

In der Automatisierungstechnik werden vermehrt

intelligente Feldgeräte eingesetzt, die Funktionen zur

Parametrierung, Zustandsüberwachung, Wartung und

Kommunikation anbieten. Diese Entwicklung führt

dazu, dass selbst einfache Geräte oftmals über unzählige,

frei konfigurierbare Parameter verfügen.

Ferner ist es als Stand der Technik anzusehen, dass

Maschinen als modulare Systeme aufgebaut sind. Diese

können kundenspezifisch konfiguriert und während der

Nutzung flexibel verändert und erweitert werden. Dazu

bedarf es klar definierter Schnittstellen, die Veränderungen

des Systems und seiner Umgebung erlauben. Einfach

anpassbare softwaretechnische Schnittstellen spielen

dabei eine entscheidende Rolle.

Die Antriebstechnik verdeutlicht den Trend zur

Software besonders plastisch. Gerade Produktionsmaschinen

müssen oftmals eine Vielzahl voneinander

abhängiger Bewegungen realisieren. In der Vergangenheit

wurde dies häufig mittels eines zentralen Antriebs

und entsprechender Getriebetechnik realisiert. Ein

derartiger Aufbau wird als Königswelle bezeichnet.

Veränderungen sind nur durch zeitintensive Umbauten

der Mechanik möglich. Die Leistungsfähigkeit von

elektrischen Antrieben und die Möglichkeiten der

Kommunikationstechnik erlauben es heute, effizientere

Ansätze zu verfolgen. An die Stelle einer unflexiblen

Getriebetechnik rücken vermehrt dezentrale

Antriebssysteme. Die Echtzeitkommunikation ersetzt

dabei die Königswelle.

1. MECHATRONIK UND INNOVATION

Die Beispiele zeigen, dass die Mechatronik erhebliche

Chancen bietet. So überrascht es nicht, dass viele Unternehmen

aus unterschiedlichsten Bereichen des

Maschinen- und Anlagenbaus die Mechatronik heute

als entscheidenden Wertschöpfungsfaktor sehen, den

es zu beherrschen gilt. Trotz der Tatsache, dass die

Mechatronik bereits seit Jahrzehnten eine bekannte

und anerkannte Herausforderung darstellt, hat die

Mehrzahl der Unternehmen erst seit wenigen Jahren

der Mechatronik eine verstärkte Aufmerksamkeit zukommen

lassen.

Somit stellt sich die Frage, welchen Status die Unternehmen

in den letzten Jahren erreichen konnten. Um

diese Frage zu beantworten, ist es erforderlich, die Anforderungen

der Mechatronik an die Entwicklung näher

zu betrachten, um die Reife von Unternehmen gezielt

beurteilen zu können.

2. MECHATRONISCHE PRODUKTENTWICKLUNG

Durch die Mechatronisierung eines Systems steigt

automatisch die Anzahl der in der Entwicklung zu realisierenden

Komponenten. Zum einen ist dies auf den

oftmals steigenden Funktionsumfang zurückzuführen.

Zum anderen werden zahlreiche Funktionen, die

bislang mittels rein mechanischer Komponenten realisiert

wurden, um elektronische und Software-basierende

Systeme ergänzt. In Summe steigt die Produktkomplexität.

Darüber hinaus bedingen mechatronische

Komponenten eine übergreifende Abstimmung und

Zusammenarbeit in allen Entwicklungsphasen. Die an

der Produktentstehung beteiligten Fachbereiche verfügen

dabei traditionell über stark variierende Prozesse.

atp edition

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HAUPTBEITRAG

Erst die Abstimmung dieser Prozesse erlaubt eine

disziplinübergreifende Zusammenarbeit in Entwicklungsprojekten.

2.1 Definierte Prozesse in der Entwicklung

Die Einflüsse von Entwicklungsprozessen auf den Projekterfolg

sind seit langem Gegenstand der Forschung.

Die Studie „Forschung und Entwicklung managen –

Erfolgsfaktoren im Maschinen- und Anlagenbau“ [10]

quantifiziert den Zusammenhang zwischen definierten

Prozessen und dem Erfolg von Entwicklungsprojekten.

Dabei wird deutlich, dass eine zuverlässige Projektabwicklung

im hohen Maße von der Prozessbeherrschung

abhängt. Die Definition eines mechatronischen

Entwicklungsprozesses stellt jedoch zahlreiche Hersteller

vor große Herausforderungen. Entwicklungsprozesse

im Bereich des Maschinenbaus wurden zwar schon

in der Vergangenheit stark an die Bedürfnisse der Entwicklung

mechanischer Systeme angepasst. Der zunehmende

Softwareanteil macht es jedoch erforderlich, die

Prozesse der Softwareentwicklung stärker und früher

zu berücksichtigen.

2.2 Abstimmung disziplinspezifischer Prozesse

Prozesse zur Spezifikation und Realisierung mechanischer

Systeme oder Komponenten lassen sich in der Regel

sehr gut als vorwärts gerichtete Sequenz abbilden.

Ein Beispiel hierfür ist die VDI-Richtlinie 2221 [13]. Die

darin definierten Phasen bieten zwar die Möglichkeiten

für Rücksprünge an, die Richtlinie stellt jedoch fest, dass

im Falle einer Einzelfertigung der Prozess in der Regel

nur einmal zu durchlaufen ist.

Im Bereich der Softwareentwicklung gestalten sich die

Prozesse in der Regel gänzlich anders. So sieht die Mehrzahl

der existierenden Modelle ein iteratives Vorgehen

vor. Dies hängt unter anderem damit zusammen, dass

die Funktionserfüllung von Softwarekomponenten nur

mit erheblichem Aufwand formal verifizierbar ist [5]. Bis

heute ist es daher unumgänglich, die Funktionserfüllung

auf Grundlage von Funktionstests zu überprüfen.

Die etablierten Prozesse zur Entwicklung mechatronischer

Systeme müssen daher überdacht und den Gegebenheiten

der Interdisziplinarität angepasst werden.

Eine reine Ergänzung der Prozesse um mechatronische

Einzelschritte, wie es im industriellen Alltag oft zu beobachten

ist, wird den Herausforderungen der Mechatronik

nicht gerecht.

2.3 Kommunikation und Kooperation

Das Thema der Entwicklungsprozesse kann nicht losgelöst

von den an der Entwicklung beteiligten Personen

betrachtet werden. So stellt Gallup fest [7], dass durch

mangelndes Engagement der Mitarbeiter in Deutschland

jährlich volkswirtschaftliche Kosten in Höhe von 122

Milliarden € entstehen. Prozesse müssen daher ein Umfeld

schaffen, das eine Zusammenarbeit vereinfacht und

potenziell störende Faktoren eliminiert. Studien [1] zeigen,

dass bei einer durchschnittlichen Erfolgsquote von

51 % im Falle einer schlechten Team-Kommunikation

lediglich 15% aller Forschungs- und Entwicklungsvorhaben

als erfolgreich angesehen werden können. Neben

einer erfolgreichen Kommunikation ist die disziplinübergreifende

Kooperation eine zentrale Herausforderung.

Die Tatsache, dass Restrukturierung/Reorganisation der

mit Abstand häufigste Grund für Veränderungen von

Unternehmen sind [4], belegt die Bedeutung von Organisationsstrukturen.

2.4 Projektmanagement

Die Bedeutung einer Projektsystematik erklärt die bereits

angeführte Studie [10]. Sie zeigt, dass Unternehmen

mit einer ausgeprägten Projektsystematik mit 43 %

zu einer um 14 % niedrigeren Quote an unerwarteten

Kostenanstiegen bei Forschungs- und Entwicklungsprojekten

gelangen. Um bei einem vorgegebenen Zeitund

Kostenrahmen zu einem abgestimmten und qualitativ

hochwertigen Ergebnis zu gelangen, bedarf es der

intensiven Abstimmung in allen Phasen der Entwicklung.

Nur ein integrierendes Projektmanagement als

Bindeglied zwischen den an der Entwicklung Beteiligten

ermöglicht einen reibungslosen Projektablauf. Dies

gilt im besonderen Maße bei der immer häufiger anzutreffenden

projekt- und unternehmensübergreifenden

Kooperation der Entwicklung.

3. REIFEGRADMODELLE ZUR ANALYSE

Zur Bewertung mechatronischer Entwicklungsprozesse

eignen sich besonders Reifegradmodelle. Diese verfolgen

das Ziel, die Qualität von Entwicklungsprozessen

objektiv zu messen. Insbesondere wird geprüft, ob

die einzelnen Elemente eines definierten Prozesses

aufeinander abgestimmt sind und sich dazu eignen,

qualitäts-, termin- und kostengerecht zu produzieren.

Durch den Vergleich des realen Prozesses mit einem

idealisierten Prozessreferenzmodell lassen sich die

Stärken und Schwächen einzelner Elemente darstellen.

Vergleichbar mit Schulnoten wird so die Reife eines

Unternehmens anhand eines Reifegrades bestimmt. Auf

dieser Grundlage ist es möglich, gezielt in Prozesse einzugreifen,

um mit möglichst geringem Aufwand einen

größtmöglichen Nutzen zu erzielen.

3.1 Mechatronische Reifegradmodelle

Es gibt unzählige Modelle, Richtlinien und Normen,

welche sich mit der Bewertung und Verbesserung von

Entwicklungsprozessen, gerade im Umfeld der Informationstechnik,

beschäftigen. Zu den bekanntesten Modellen

zählen die Normen ISO 9000 ff und ISO 15504

(SPICE) sowie die Reifegradmodelle CMM/CMMI. Ferner

existiert mit dem in diesem Beitrag vorgestellten

30

atp edition

10 / 2012

BESTVOR-Reifegradmodell eine Methode, welche insbesondere

Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus

fokussiert.

3.1.1 DIN ISO 9000 ff.

Die Normen der ISO-9000-Familie [6] verfolgen das Ziel,

ein wirksames Qualitätsmanagementsystem in Organisationen

zu etablieren. Hierzu verfügen sie über eine klare

Methode beziehungsweise Metrik zur Messung der Qualität

von Entwicklungsprozessen. Die generischen Anforderungen

des Modells erlauben einen unmittelbaren Vergleich

selbst heterogener Unternehmen und Entwicklungsvorhaben.

Jedoch wurden spezifische Prozesse und

insbesondere der Software-Prozess außen vor gelassen.

Somit eignet sich dieses Modell nur bedingt dazu, mechatronische

Entwicklungsprozesse gezielt zu beurteilen.

3.1.2 CMM, CMMI und ISO 15504 (SPICE)

Die Entwicklung des Reifegradmodells Capability Maturity

Model (CMM) wurde 1986 im Auftrag des US-

Verteidigungsministeriums begonnen, um die Qualität

der Prozesse von Softwarelieferanten zu beurteilen. Auf

dessen Grundlagen wurden zahlreiche Folgemodelle

entwickelt, welche mit dem Modell Capability Maturity

Model Integration (CMMI) wieder vereinheitlicht wurden.

Wie der Name des Modells Software Process Improvement

and Capability Determination (SPICE) widerspiegelt,

wurde auch dieses Modell unter besonderer Berücksichtigung

von Prozessen der Softwareentwicklung

entworfen. Spezifika der Entwicklung von Mechanik

und Elektrik/Elektronik und damit der Charakter der

Mechatronik werden von allen Modellen nur bedingt

entsprochen. Zudem ist anzumerken, dass der enorme

Aufwand zur Durchführung eines Assessments einen

Einsatz im Umfeld von KMU kaum zulässt.

BILD 1: BESTVOR-Einführungsstrategie [12]

BILD 2: BESTVOR-Reifegrade [12]

ITQ GmbH

Fraunhofer Institut für

Produktionstechnologie, IPT

Lehrstuhl für Informationstechnik

im Maschinenwesen,

TU München

Optima Packaging Group GmbH

Scheidt & Bachmann

Schneider Electric,

ELAU Packaging Solutions

Siempelkamp Handling Systems,

G. Siempelkamp GmbH & Co.KG

Somic Verpackungsmaschinen

GmbH & Co. KG

Sortimat

Trumpf Werkzeugmaschinen

TABELLE 1: BESTVOR-Projektkonsortium

3.1.3 BESTVOR

Das Forschungsprojekt BESTVOR wurde vom Bundesministerium

für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb

des Rahmenkonzeptes „Forschung für die Produktion

von morgen“ gefördert. Dabei ging es darum, eine

BEtriebliche EinführungsSTrategie für ein anwendungsorientiertes

VORgehensmodell für die Entwicklung zuverlässigerer

mechatronischer Systeme im Maschinenund

Anlagenbau zu konzipieren.

„Die Einführungsstrategie setzt sich aus drei Bausteinen

zusammen (Bild 1): Einem Self-Assessment-Tool,

einem anwendungsorientierten Vorgehensmodell und

konkreten Einführungsanleitungen …“ [12]. Ersteres

wurde von einem Konsortium, bestehend aus Anwendern,

Dienstleistern und Forschungsinstituten (Tabelle

1), aufbauend auf bestehenden Reifegradmodellen entworfen.

Die Belange der Mechatronik wurden in den

Vordergrund der Betrachtung gestellt. Mit der Fokussierung

auf KMU als Anwender wurde ferner auf eine aufwandsarme

Durchführung geachtet, was den Vergleich

eines breiten Anwenderkreises ermöglicht.

Den Rahmen für die Beurteilung stellen vier definierte

Reifegrade (Bild 2) dar, welche einen direkten

Vergleich mit den Reifegradmodellen CMM, CMMI und

SPICE ermöglichen. Dabei wird zwischen einem voll-

Erfahrungsträger

Anwender

atp edition

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31

HAUPTBEITRAG

ständig und einem teilweise erreichten Reifegrad unterschieden.

Ersterer gibt einen mit den gängigen Modellen

(CMMI und SPICE) vergleichbaren Reifegrad an. Der

teilweise erreichte Reifegrad berücksichtigt hingegen

auch Prozesse, die nur bei Bedarf durchgeführt werden.

Denn im Gegensatz zu den übrigen Modellen vertritt

BESTVOR die Auffassung, dass auch Prozesse, die nur

bei einem empfundenen Bedarf durchgeführt werden,

von einer höheren Prozessreife zeugen

Der folgende Abschnitt zeigt daher die Ergebnisse der

Reifebestimmung mechatronischer Entwicklungsvor haben

bei KMU im Maschinenbau auf Grundlage von BEST-

VOR-Assessments von über 600 Personen aus 100 Unternehmen

des Maschinen- und Anlagenbaus. Betrachtungsgegenstand

sind folgende sechs zentrale Prozessgebiete:

BILD 3: Durchschnittliche Reife aller befragten Unternehmen

Anforderungsmanagement: Spezifikation von

Anforderungen und Lösungen

Projektplanung: Termin- und Ressourcenplanung

eines Entwicklungsprojekts

Projektverfolgung: Überprüfung des Projektfortschritts

Qualitätssicherung: Überprüfung der Produktqualität

anhand von Anforderungen

Konfigurationsmanagement: Verwaltung von Versionen,

Varianten, …

Lieferantenmanagement: Planung und Verfolgung

von Zulieferungen

4. MECHATRONISCHE REIFE IM MASCHINENBAU

BILD 4: Reife in Abhängigkeit von der Unternehmensgröße

Bild 3 zeigt die durchschnittlichen Ergebnisse aller Befragten.

Hierbei wird deutlich, dass von den Unternehmen

des deutschen Maschinenbaus die Herausforderung

der Mechatronik bei der Entwicklung nicht beherrscht

wird. Auch die von BESTVOR empfohlene minimale

Prozessreife wird bei Weitem nicht erreicht. Angesichts

der mit der Mechatronik verbundenen Chancen für Unternehmen,

stellt dies ein ernstes Problem dar. Somit ist

die Frage zu beantworten, wie der optimale Entwicklungsprozess

zu gestalten ist, um sämtlichen Herausforderungen

der Mechatronik mit einem angemessenen

Kosten/Nutzen-Verhältnis zu begegnen. Die Untersuchungen

sollten klären, ob individuelle Faktoren den

idealen Entwicklungsprozess beeinflussen.

4.1 Reife abhängig von Unternehmensgröße

BILD 5: Reife in Abhängigkeit von der Organisationsform

Wird die Prozessreife der befragten Unternehmen in Abhängigkeit

von ihrer jeweiligen Unternehmensgröße betrachtet,

so ist ein eindeutiger Trend abzulesen (Bild 4).

Mit zunehmender Unternehmensgröße steigt die Prozessreife.

Mit zunehmender Größe eines Unternehmens

werden Kommunikation und Kooperation immer größere

Herausforderungen. Denn ab einer gewissen Größe

kann nicht davon ausgegangen werden, dass Informationen

per Flurfunk alle Betroffenen erreichen. Die Unternehmen

müssen klare Prozesse definieren, um den erforderlichen

Informationsfluss sicherzustellen.

32

atp edition

10 / 2012

4.2 Reife abhängig von Organisationsform

In Bild 5 zeigt sich eine zum Teil deutlich höhere Reife

von Mischformen gegenüber einer Organisation in reinen

Projektteams. Eine derartige Organisation führt dazu,

dass die Zusammensetzung von Entwicklungsteams

nicht stets dieselbe ist. Hierzu bedarf es zwangsläufig

einer erhöhten Prozessfähigkeit des Unternehmens.

Dementsprechend haben die Unternehmen ihre Prozesse

den gestiegenen Anforderungen angepasst.

4.3 Reife abhängig von Zulieferer-Einbindung

Während bei der Zulieferung von Entwicklungsdienstleistungen

und Komponenten kein klarer Trend festzustellen

ist, liegt die Prozessreife der Gruppe Zulieferung von Systemen

zumeist unter den Werten der erstgenannten Gruppen

(Bild 6). Offenbar bringt die Zulieferung kompletter

Systeme für die Hersteller geringere Herausforderungen

mit sich als Zulieferungen im kleineren Umfang. Dies stellt

nur auf den ersten Blick einen Widerspruch dar. Denn bei

der Zulieferung von Systemen werden zumeist sehr früh

Funktionen, Schnittstellen und Abhängigkeiten des Systems

definiert. Auf Komponentenebene kommt es bei der

Entwicklung häufiger zu Änderungen, die oft spontan mit

Zulieferern abgestimmt werden. Dies kann die abnehmenden

Werte gerade in den Bereichen der Projektverfolgung

und der Qualitätssicherung erklären.

BILD 6: Reife in Abhängigkeit von der Zulieferer-Einbindung

4.4 Reife abhängig von Fertigungsart

Der Einflussfaktor Fertigungsart steht synonym für die

geplante Stückzahl des zu entwickelnden mechatronischen

Systems. Hierbei zeigen sich nicht alle Prozessgebiete

im gleichen Maße beeinflusst. Die Projektplanung

und das Lieferantenmanagement sind kaum betroffen

(Bild 7). Auch im Falle des Anforderungsmanagements

und der Projektverfolgung steigt die Prozessreife mit zunehmender

Stückzahl, aber nur marginal. Auffällig sind

hingegen die Beeinflussungen der Qualitätssicherung

und des Konfigurationsmanagements. Fehler des Produkts

können bei einer Serienproduktion gewaltige Kosten

und Imageschäden bewirken. Auch die Verwaltung

von Versionen und Varianten wird aufgrund der im Maschinenbau

üblichen kundenspezifischen Produktkonfiguration

mit zunehmender Stückzahl komplexer.

BILD 7: Reife in Abhängigkeit von der Fertigungsart

4.5 Reife abhängig von Komplexität

Als Maß für die Komplexität der Entwicklungsprozesse

wurde die Anzahl an beteiligten Entwicklern in einem

Entwicklungsprojekt herangezogen. Im Falle des Anforderungsmanagements

und der Projektverfolgung ist mit

zunehmender Teamgröße ein leichter Anstieg der Prozessreife

zu verzeichnen (Bild 8). Besonders interessant

sind jedoch die Ergebnisse der Qualitätssicherung und

des Konfigurationsmanagements. Insbesondere die Gruppe

>10 Entwickler verfügt über eine deutlich höhere Pro-

BILD 8: Reife in Abhängigkeit von der Komplexität

atp edition

10 / 2012

33

HAUPTBEITRAG

AUTOREN

Dr.-Ing. BERND SPIEGELBERGER (geb. 1976) studierte Maschinenwesen,

Fachrichtung Informationstechnik, an der Technischen

Universität München und promovierte bei Prof. Dr.-Ing. Klaus

Bender am Lehrstuhl für Informationstechnik im Maschinenwesen

zum Thema „anwendergerechte Gestaltung mechatronischer

Entwicklungsprozesse für kleine und mittlere Unternehmen

im Maschinenbau“. Seit 2010 ist er bei der ITQ GmbH

als Senior Consultant tätig. Seine Aufgabenschwerpunkte

liegen im mechatronischen Entwicklungs- und Projektmanagement

sowie der Qualitätssicherung softwareintensiver mechatronischer

Produkte.

ITQ GmbH,

Parkring 4, D-85748 Garching b. München,

Tel. +49 (0) 89 32 19 81 70, E-Mail: spiegelberger@itq.de

Dr.-Ing. RAINER STETTER (geb. 1963) studierte Maschinenbau an

der Technischen Universität München und promovierte über

„Rechnergestützte Simulationswerkzeuge zur Effizienzsteigerung

des Industrierobotereinsatzes“ am Institut für Werkzeugmaschinen

und Betriebswissenschaften. Seit 1997 ist er Geschäftsführer

der Software Factory GmbH in Garching bei München.

Zusätzlich leitet er als Geschäftsführender Gesellschafter

die 1998 von ihm gegründete ITQ GmbH, Garching.

ITQ GmbH,


Tel. +49 (0) 89 32 19 81 70, E-Mail: stetter@itq.de

MANFRED BONTESMÜLLER (geb. 1940) studierte Maschinenbautechnik

und war anschließend als Konstrukteur und als Beratungsingenieur

für Verpackungsmaschinen tätig. So wurde die

Basis für die Gründung der Somic Verpackungsmaschinen

GmbH & Co. KG 1974 geschaffen. Seit 2007 widmet er sich

ausschließlich den Unternehmensfragen und der technischen

Firmenentwicklung.

Somic Verpackungsmaschinen GmbH & Co. KG,

Am Kroit 7, D-83123 Amerang,

Tel. +49 (0) 80 75 91 60, E-Mail: info@somic.de

Dr.-Ing. BERNHARD KAUSLER (geb. 1978) studierte Elektro- und

Informationstechnik, Fachrichtung Mechatronik, an der Technischen

Universität München. Im Anschluss promovierte er am

Lehrstuhl für Informationstechnik im Maschinenwesen im

Bereich der Qualitätssicherung mechatronischer Systeme. Seit

2008 ist der bei der ITQ GmbH als Senior Consultant tätig. Seine

Aufgabenschwerpunkte liegen im mechatronischen Entwicklungs-

und Projektmanagement sowie der Qualitätssicherung

softwareintensiver mechatronischer Produkte.

ITQ GmbH,


Tel. +49 (0) 89 32 19 81 70, E-Mail: kausler@itq.de

zessreife. Eine höhere Zahl an Entwicklern scheint auch

zu einem steigenden Bedarf an Maßnahmen der Qualitätssicherung

zu führen. Wie in Bild 4 gezeigt, führt sie

weiterhin dazu, dass die Prozesse des Konfigurationsmanagements

über eine deutlich höhere Reife verfügen.

4.6 Diskussion der erzielten Ergebnisse

Der Vergleich der durchschnittlich erzielten Reife mit

den von BESTVOR geforderten Werten belegt, dass

mechatronische Entwicklungsprozesse in der Regel

nicht beherrscht werden. Insbesondere die Prozesse der

Qualitätssicherung sind nicht nur bei Unternehmen mit

weniger als 100 Mitarbeitern auf einem alarmierend

niedrigen Niveau. Um den Unternehmenserfolg im

globalen Wettbewerb langfristig zu sichern, müssen die

brachliegenden Potenziale besser genutzt werden.

Ferner wird deutlich, dass die Reife der einzelnen Prozessgebiete

in den Unternehmen stark variiert. Dies ist

auf zahlreiche Einflussfaktoren zurückzuführen. Das

ideale Vorgehen beziehungsweise die ideale Reife eines

Entwicklungsprojekts ist demnach nicht als absolute

Größe zu sehen. Unternehmen müssen vielmehr in die

Lage versetzt werden, einzelne Prozesse in Abhängigkeit

von der jeweiligen Entwicklungsaufgabe und -situation

an ihr Unternehmen anzupassen.

Der Gedanke, dass es den idealen Entwicklungsprozess

nicht gibt, ist nicht neu. Moderne Vorgehensmodelle

wie das V-Modell XT sehen daher ein Tailoring

vor, um Prozesse an individuelle Gegebenheiten anzupassen.

Bis dato werden die Unternehmen bei diesem

Schritt jedoch nur unzureichend unterstützt. Die Ausführungen

verdeutlichen, dass es einer Methode zur

anwendergerechten Gestaltung mechatronischer Entwicklungsprozesse

bedarf. Hierzu präsentiert die Dissertation

von Spiegelberger [11] einen Ansatz, welcher

die BESTVOR-Methodik in einen kontinuierlichen

Verbesserungsprozess integriert. Das darin enthaltene

Konzept zeigt eine klare Systematik zur anwendergerechten

Gestaltung von Entwicklungsvorhaben in der

Mechatronik auf Grundlage mehrerer Einflussfaktoren.

Um ein möglichst vollständiges Bild der relevanten

Einflussfaktoren auf Entwicklungsprozesse zu erhalten,

wären daher weitere Untersuchungen mittels

BESTVOR wünschenswert.

FAZIT

Die Mechatronik bietet erhebliches Potenzial, innovative

Produkte zu erzeugen. Dementsprechend betrachten

viele Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus

die Mechatronik als entscheidenden Wertschöpfungsfaktor,

den es zu beherrschen gilt. Trotz der Tatsache,

dass Entwicklungsprozesse der Mechatronik

gänzlich anders ablaufen als heute etablierte Prozesse

der Mechanik, wurden Prozesse und Strukturen in den

Unternehmen nur geringfügig geändert. Häufig dominiert

noch immer die Mechanik die Abläufe. Empirische

Untersuchungen mit dem BESTVOR-Reifegrad-

34

atp edition

10 / 2012

modell belegen, dass die Mechatronik bestenfalls teilweise

beherrscht wird.

Weiterhin kann gezeigt werden, dass der ideale Prozess

von zahlreichen unternehmens- und projektspezifischen

Faktoren abhängt, die bei der Gestaltung mechatronischer

Entwicklungsprozesse zu berücksichtigen sind. [11]

stellt hier eine Methodik zur Gestaltung von Entwicklungsprozessen

vor. Weitere Untersuchungen, welche den

Entwurf einer allgemeingültigen Metrik zur Berücksichtigung

spezifischer Einflussfaktoren ermöglichen, wären

daher erforderlich.

MANUSKRIPTEINGANG

02.02.2012

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet

REFERENZEN

[1] Buschermöhle, R.; Eekhoff, H.; Josko, B.: Success,

Erfolgs- und Misserfolgsfaktoren bei der Durchführung

von Hard- und Software-Entwicklungsprojekten

in Deutschlang, BIS-Verlag der Carl von Ossietzky

Universität Oldenburg, 2006

[2] Bender, K. (Hrsg.): Embedded systems – qualitätsorientierte

Entwicklung, Springer, 2005

[3] Burghardt, M.: Projektmanagement, Leitfaden für die

Planung, Überwachung und Steuerung von Projekten,

Publicis Corp., 2008

[4] Capgemini Consulting: Change Management – Studie

2010, Business Transformation – Veränderungen

erfolgreich gestalten, 2010

[5] Collofello, J.: Introduction to Software Verification and

Validation. Software Engineering Institute, Carnegie

Mellon University, 1988

[6] EN ISO 9000: Qualitätsmanagementsysteme – Grundlagen

und Begriffe, 2005

[7] Gallup: Mitarbeiterzufriedenheit in Deutschland, 2011

[8] Gausemeier, J.: Domänenübergreifende Vorgehensmodelle,

(http://www.transmechatronic.de/fileadmin/

Fachbeitrag/Beitrag_Vorgehensmodelle_Gausemeier_

2008-12-18.pdf, 2008)

[9] Glinz, M.: Eine geführte Tour durch die Landschaft der

Software-Prozesse und -Prozessverbesserung:

INFORMATIK/INFORMATIQUE; 1999.

[10] KPMG: KPMG Forschung und Entwicklung managen,

Erfolgsfaktoren im Maschinen- und Anlagenbau, 2005

[11] Spiegelberger, B.: Anwendergerechte Gestaltung

mechatronischer Entwicklungsprozesse für kleine

und mittlere Unternehmen im Maschinenbau.

Sierke Verlag, 2011

[12] Stetter, R., Rauchenberger, J., Spiegelberger, B.:

BMBF Projektabschlussbericht des Forschungsprojekts

BESTVOR, Betriebliche Einführungsstrategie für

ein anwendungsorientiertes Vorgehensmodell für die

Entwicklung zuverlässigerer mechatronischer

Systeme im Maschinen- und Anlagenbau, 2010

[13] VDI/VDE 2221: Methodik zum Entwickeln und Konstruieren

technischer Systeme und Produkte, 1993

„ Zuverlässige Messtechnik

für die Sicherheit Ihrer

Prozesse.“

Selbstüberwachende Füllstand- und Drucksensoren

erhöhen Ihre Anlagensicherheit.

Für die Sicherheit Ihrer Anlage arbeiten VEGA-Sensoren

mit Selbstüberwachung und Diagnosefunktionen. Asset

Management und zusätzliche Speicher für Prozesswerte

und Systemereignisse ermöglichen eine vorbeugende

Wartung sowie die lückenlose Rückverfolgung von

Veränderungen im Prozess und am Sensor. Dies optimiert

Ihre Anlagenverfügbarkeit und spart Kosten im Anlagenbetrieb

und bei der Instandhaltung.

www.vega.com/de/chemie.htm

atp edition

10 / 2012

35

HAUPTBEITRAG

Das Zeitverhalten

verteilter Anlagen

Modellierung heterogener Systeme

Der Wunsch nach Interoperabilität in verteilten Anlagen bei Verwendung durchgängiger

Engineeringmethoden ist seit langem Gegenstand der Forschung. Gerade Schnittstellen

zwischen Produkten und Systemen unterschiedlicher Hersteller führen in der Praxis oft

zu Problemen bei der Fehleranalyse und der Abgrenzung der Leistungsumfänge. Dieser

Beitrag behandelt verteilte Systeme, welche echtzeitfähige Komponenten und nicht echtzeitfähige

Komponenten beinhalten. Diese Systeme werden als heterogene Systeme bezeichnet.

Vorgeschlagen wird die zeitliche Modellierung des Gesamtsystems, bestehend

aus dem Prozess, der Kommunikation und der verwendeten Instrumentierung sowie eine

Bewertung der zeitlichen Unbestimmtheiten der Subsysteme. Durch die weitere Verwendung

des Modells als Online-Beobachter erfolgt eine Überwachung der Prozessführung

mit Handlungsempfehlungen.

SCHLAGWÖRTER SysML / Modellierung / Verteilte Systeme / Netzplan / Prozessführung

Temporal behaviour of distributed facilities –

Modelling heterogeneous systems

Interoperability in heterogeneous distributed systems using consistent engineering methods

has long been a topic of research. Interfaces between products and systems from

different vendors often lead to problems with the fault analysis and specification of performances.

Here, distributed systems are considered which contains real-time and nonreal

time components. Temporal modelling is proposed for the overall system consisting

of the process, communications, and the instrumentation used, as well as an evaluation

of the temporal uncertainties of the sub-systems. An online-observer should be used to

supervise the system and to suggest recommendations if needed.

KEYWORDS SysML / modelling / distributed control systems / network plan / process

engineering

36

atp edition

10 / 2012

STEPHAN SCHÄFER, HTW Berlin

ULRICH BERGER, BTU Cottbus

DIRK SCHÖTTKE, HTW Berlin

THOMAS KÄMPFE, HTW Berlin

Aus der Prozess- und Fertigungsautomation

kommt der Wunsch nach einer durchgängigen

Modellierung der Gesamtanlage über einzelne

Anlagenteile oder Steuerungen hinaus. Um

Außerbetriebszeiten und Inbetriebnahmezeiten

zu reduzieren und sichere Migrationsstrategien zu

entwickeln, werden zunehmend Prozesssimulationsmodelle

verwendet, wie beispielsweise in [1] beschrieben.

Zur Reduzierung der Komplexität bei der Inbetriebnahme

großer verteilter Gesamtanlagen werden diese in verschiedene

Module unterteilt und Teil inbetriebnahmen

durchgeführt [2]. Ein weiterer Schritt hin zum durchgängigen

Engineering verteilter Anlagen war die Einführung

der IEC 61131-3 zur herstellerunabhängigen Programmierung

verteilter Systeme [3], sowie deren objektorientierter

Nachfolger für verteilte Funktionsbausteine,

die DIN EN 61499 [4].

Da ein Schwerpunkt dieses Artikels auf räumlich und

zeitlich verteilten Kommunikationsstrukturen liegt, wird

für echtzeitfähige Systeme, welche beispielsweise die

nach DIN IEC 60050-351 [5] geforderten Echtzeitbedingungen

erfüllen, der Begriff deterministisch verwendet, wobei

sich Echtzeitfähigkeit so beschreiben lässt: „Ein Echtzeitsystem

ist ein System, dessen Funktion nicht nur von

der Richtigkeit der Ergebnisse, sondern ebenfalls von der

dazu benötigten Zeit abhängt. Wenn die notwendigen

zeitlichen Rahmenbedingungen nicht eingehalten werden,

liegt ein Fehlerfall vor“ [6]. Bussysteme, welche die

zuvor genannten Echtzeitbedingungen nicht einhalten,

werden häufig als nicht-deterministische Kommunikationssysteme

bezeichnet. Dieser Begriff ist in der Anwendung

üblich, auch wenn sich das nicht-deterministische

Verhalten ausschließlich auf zeitliche Aspekte bezieht.

In der Literatur finden sich viele Beschreibungsmethoden

für deterministische endliche Automaten. Zustandsgraphen

und Petri-Netze werden bereits erfolgreich in

komplexen Systemen verwendet. Die Grundlagen zu

Petri-Netzen, mit denen sich auch nebenläufige Prozesse

beschreiben lassen, beschreibt [7]. Petri-Netze wurden

bereits produktiv für die Modellierung deterministischer

Systeme, beispielsweise in der Automobilindustrie

eingesetzt, wie [8] zeigt. Dabei werden jedoch in der Regel

vollständig deterministische Systeme untersucht,

wobei die Kommunikation durch deterministische Busstrukturen

realisiert wird, zum Beispiel durch die ausschließliche

Verwendung echtzeitfähiger Feldbusse. Die

Einbeziehung nicht-deterministischer Kommunikationsstrukturen

wird erreicht, indem diese durch deterministische

Busstrukturen ersetzt werden.

Herstellerübergreifende und damit hardwareunabhängige

Beschreibungsmittel, wie UML, haben ebenfalls

verstärkt in die Modellierung komplexer heterogener Anlagen

Einzug gehalten [9]. Als weiteres, insbesondere für

die Automation entwickeltes Beschreibungsmittel, wurde

in jüngster Zeit die Modellierungssprache UML zu

SysML weitergeführt, um den besonderen Bedürfnissen

dieses Anwendungsbereiches Rechnung zu tragen [10].

Die Modellierungssprache UML bietet mehrere Möglichkeiten,

um zeitliche Verläufe zu modellieren. Je nachdem,

ob nur die beteiligten Kommunikationspartner, die

exakte zeitliche Reihenfolge oder Kommunikationsfehler

und die daraus resultierenden Systemreaktionen modelliert

werden sollen, stellt die UML verschiedene Diagrammtypen

zur Verfügung. Dies sind [11]:

Sequenzdiagramm

Kommunikationsdiagramm

Timing-Diagramm

Interaktionsübersichtsdiagramm

Darüber hinaus schlagen die Autoren für eine konkrete

Anwendung ein Beobachtermodell vor, welches das

Gesamtsystem auf die Einhaltung zeitlicher Grenzen

(engl. Constraints) für die deterministischen und nichtdeterministischen

Subsysteme, überwacht. Es geht darum,

eventuelle Abweichungen zu erkennen und gegebenenfalls

auf solche Verletzungen mithilfe von Ersatzstrategien

zu reagieren. Innerhalb der Modellierungssprache

UML lassen sich Constraints durch die

Object-Constraint-Language (OCL) beschreiben. Einzelheiten

zu OCL sind unter [12] zu finden. Da diese Sprache

jedoch weit über die Modellierung rein zeitlicher Aspek-

atp edition

10 / 2012

37

HAUPTBEITRAG

te hinausgeht und aufgrund ihrer Mächtigkeit eine intensive

Einarbeitung erfordert, wird für die in diesem

Beitrag beschriebene Anwendung eine alternative Beschreibungsform

gewählt. Diese beinhaltet eine zeitliche

Betrachtung des Gesamtsystems und der einzelnen Teilsysteme

und trifft qualitative und quantifizierbare Aussagen

über deterministische und nicht-deterministische

Vorgänge in heterogenen Systemen.

Es wird eine Notation vorgeschlagen, die auf Netzplantechnik

und GANTT-Diagrammen basiert. Diese Art der

Modellierung wird beispielhaft für ein Pendeldämpfungssystem

(anti-sway system) eines Kransystems durchgeführt

(Bild 1). Dieses Verfahren ermöglicht es, zeitkritische

Engpässe und zeitliche Spielräume zu finden, um

das zeitliche Verhalten des Gesamtsystems zu optimieren.

1. ZEITLICHE DARSTELLUNG VERTEILTER SYSTEME

Wir betrachten ein Gesamtsystem, bestehend aus Prozessen,

Kommunikationsstrukturen und der dazugehörigen

gerätetechnischen Instrumentierung. Für die zeitliche

Darstellung dieser verteilten Systeme eignen sich besonders

die Diagrammtypen Netzplan und GANTT-Diagramm.

Die Methode der Netzplantechnik wird im weiteren

Verlauf auf die konkrete Anwendung übertragen.

Eine erste schematische Zuordnung der anzutreffenden

Funktionsbestandteile zu ihrem zu erwartenden Zeitverhalten

zeigt Bild 2.

Um bereits während der Modellierung zeitkritische

Engpässe und zeitliche Spielräume zu lokalisieren, werden

folgende Schritte vorgeschlagen:

1 | Modellierung der statischen Systemeigenschaft

mittels SysML mit einem Schwerpunkt auf dem

zeitlichen Einzelverhalten der jeweiligen Module

2 | Modellierung der Abhängigkeiten mittels der aus

der Prozessoptimierung bekannten Netzplantechnik

3 | Ermittlung eventueller Engpässe sowie zeitlich

unbestimmter Prozesse und Optimierung des

Gesamtsystems

4 | Verwendung eines Online-Beobachters zur

permanenten Überwachung zeitlich unbestimmter

Prozesse

5 | Erarbeitung von Handlungsempfehlungen bei

Verletzung zeitlicher Beschränkungen

Die Praxistauglichkeit dieses Vorgehens wird anhand

eines Pendeldämpfungssystems einer Krananlage (Handling-System)

nachgewiesen. Der Ansatz ist so allgemein

gewählt, dass sich diese Methode auf andere Projekte

und Anlagen übertragen lässt.

2. ANLAGENBESCHREIBUNG HANDLING-SYSTEM

Handling-Systeme in Form von Kransystemen und handgeführten

Manipulatoren werden aus Normungssicht in

DIN EN 14238 behandelt [13]. Als Teilelemente komplexer

Logistikprozesse finden sich Handling-Systeme unter

anderem in der Intralogistik. Ihr Einsatzgebiet umfasst

fast alle Technikbereiche. In der Konzeption von Materialflusssystemen

spielen Handling-Systeme und deren

Einsatz in gekapselten Subsystemen daher eine wichtige

Rolle. Um derart komplexe Systeme unter dem Gesichtspunkt

der zeit- und energieoptimalen Fahrweise betreiben

zu können, bedarf es in jedem Fall einer modellbasierten

Prozessführungsstrategie, die eine Überführung

der Last entlang einer zu definierenden oder definierten

Trajektorie sicherstellt. Dies bedeutet, dass die technologischen

Rahmenbedingungen zu betrachten sind und

die für die informationstechnische Realisierung notwendigen

Ressourcen der Instrumentierung (Performance

PAC, Speicher, Timing, Kommunikationskanäle) und

deren Auslegungsparameter. Nur durch die transparente

Betrachtung dieser Ressourcen und deren Einfluss

ergibt sich die Möglichkeit, bereits im Vorfeld auf das

Engineering einzuwirken.

Bei der in Bild 3 ausgewiesenen Instrumentierung handelt

es sich um eine Reduktion auf die wesentlichen

Merkmale der Ansteuerung einer Achse eines beliebigen

Handling-Systems.

Die Beherrschung des Engineerings derartiger Systeme

erfordert eine systematische Strukturierung der notwendigen

Funktionsbereiche und umfasst die Modellierung

der Eigenschaften und der Abhängigkeiten der einzelnen

Module. Neben der statischen Modellierung der einzelnen

Elemente (Module) findet zunächst eine erste

Abschätzung der zu erwartenden zeitlichen Anforderungen

an die Systembestandteile (Systemmodule) statt. Im

Anschluss werden die dynamischen Eigenschaften der

Module untersucht.

Auf Basis dieser zeitlichen Einordnung und der in der

Praxis anzutreffenden Rahmenbedingungen erfolgen die

ereignisgesteuerte Freigabe von Ressourcen, sowie die

Stellgrößengenerierung und Ansteuerung des betreffenden

Antriebs. Die durchgängige Darstellung der funktionalen

Anlagenstruktur, sowie deren Abhängigkeiten

und Schnittstellen zwischen den Teilmodulen Prozessüberwachung,

Steuerung und Regelung, zeigt Bild 4.

3. ABBILDUNG DER ZEITLICHEN EIGENSCHAFTEN

Durch die Verwendung der Metamodellierungssprache

SysML lassen sich auch nichtfunktionale Anforderungen

modellieren. In SysML definierte Constraint-Blöcke

bieten einen Mechanismus zur Modellierung zeitabhängiger

und sicherheitskritischer Randbedingungen. Zeitliche

Abläufe werden daher als Eigenschaft innerhalb

der Constraint-Blöcke modelliert, auf die andere Blöcke

wiederum zugreifen können [14]. Die statische Anlagenstruktur

des betrachteten Systems wurde mit SysML

aufbereitet. SysML erlaubt unter anderem die Spezifikation,

die Analyse, das Design und die Verifikation und

Validierung von Systemen und deren Systemelemente

wie Software, Hardware, Informationen, Prozesse, Personen

und Gegenstände. Ausgehend von dem Systemmodell

(Bild 4) wird mithilfe von Konfigurationseinstellungen

und der Übergabe von Werten an die äußere

Schnittstelle des Systems die Veränderung des Systemzustandes

im Verlauf der Zeit beobachtet.

Damit dieses Systemmodell nicht nur zur Systembeschreibung

dient, sondern auch eine Simulation des Sys-

38

atp edition

10 / 2012

BILD 2: Zeitliche Einordnung der Funktionsbestandteile

BILD 1: Technologieschema-Einordnung

BILD 3: Schematische Darstellung eines Handling-Systems

BILD 4: Darstellung der Abhängigkeiten der

Teilmodule

BILD 5: Darstellungen der Funktionsblöcke mittels SysML

atp edition

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39

HAUPTBEITRAG

Die Netzplantechnik wird hauptsächlich für die zeitliche

Organisation von Projekten und Abläufen eingesetzt.

Es gibt viele Werkzeuge, und die mathematischen Verfahren

zur Ermittlung verschiedener Pfade (Routing)

sind ausgereift. Somit ist die Ermittlung kritischer Pfade

und alternativer Kommunikationswege über Routingvertems

ermöglicht, muss neben der Systemstruktur das

Systemverhalten spezifiziert werden. Zustandsänderungen

können so zu diskreten Zeitpunkten oder kontinuierlich

vollzogen werden [15]. Das SysML-Blockdiagramm

(Bild 5) übernimmt hierbei die Kernbereiche der

Funktionsübersicht und definiert für jeden Bereich eine

zeitliche Abhängigkeit und Priorität. Das zeitliche Verhalten

wird an zusätzlichen Funktionen abgeleitet.

4. VERWENDUNG DER NETZPLANTECHNIK

Durch das SysML-Blockdiagramm ist es nun möglich,

diese Konstellation in die Netzplantechnik zu überführen.

Dabei ist die Modellierung für örtlich beschränkte

Sub-Systeme und für örtlich und zeitlich verteilte vernetzte

Systeme umsetzbar. Kommunikationsprotokolle

und Kanäle können dabei in die Modellierung mit einbezogen

werden. Der Begriff Netzplantechnik umfasst

nach DIN 69900-1 „auf Ablaufstrukturen basierende

Verfahren zur Analyse, Beschreibung, Planung, Steue-

rung, Überwachung von Abläufen, wobei Zeit, Kosten,

Ressourcen und weitere Größen berücksichtigt werden

können“ [16]. Ein Netzplan ist somit die grafische oder

tabellarische Darstellung von Abläufen und deren Abhängigkeiten.

In diesem Netzplan (siehe Bild 6) besitzt

jeder Vorgang eine Priorität, zeitliche Dauer und Puffer

und wird mit dem jeweiligen deterministischen Kommunikationskanal

verkettet. Nun können die Zeitpunkte

der Vorgänger berechnet werden. Da die Kommunikationskanäle

zyklisch Daten versenden, gibt es einen

festen Endzeitpunkt.

4.1 Vorteile bei der Verwendung der Netzplantechnik

nicht-deterministische

Kommunikation


Kommunikation

deterministische

Kommunikation


Kommunikation

BILD 6: Netzplan – Zeitliche Zuordnung (Auszug)

40

atp edition

10 / 2012

fahren mittels entsprechender Algorithmen realisierbar.

Bei der Netzplantechnik handelt es sich um eine anschauliche

grafische Darstellungsform, welche bereits

aus anderen Fachdisziplinen bekannt ist und daher nur

eine geringe Einarbeitungszeit benötigt. Zeitliche Verfügbarkeiten

können direkt aus dem Netzplan gewonnen

werden. So lässt sich eine Ablaufplanung unter Präzedenz-

und Ressourceneinschränkungen durchführen.

Die Verwendung eines Online-Beobachters dient dazu,

den ermittelten kritischen Pfad zu überwachen und im

Falle einer Verletzung oder Überschreitung von Grenzen

Handlungsempfehlungen zu ermöglichen.

4.2 Nachteile bei der Verwendung der Netzplantechnik

Die vorgestellte zeitliche Modellierung mittels Netzplantechnik

berücksichtigt ausschließlich die zeitlichen Aspekte.

In den folgenden Ausführungen wird die criticalpath-Methode

der Netzplantechnik als etabliertes Werkzeug

für prozessrelevante Ereignisse (Vorgänge) exemplarisch

verwendet [17]. Die Autoren setzen voraus, dass

auch nicht-deterministische Systeme innerhalb der angegebenen

Zeitgrenzen bleiben. Eine Verletzung der Einschränkungen,

also beispielsweise im Fehlerfall, welcher

sich ebenfalls durch Handlungsempfehlungen in

Form einer Ersatzwertstrategie berücksichtigen lässt,

wird nicht weiter behandelt.

4.3 Ergebnisermittlung als Nachweisführung

Der in Bild 6 dargestellte zeitliche Zusammenhang beruht

auf der Annahme, dass eine örtliche und zeitliche

Verteilung der notwendigen Ressourcen in der Systemumgebung

gegeben ist. Dies bedeutet, dass die Ressourcen

hinsichtlich ihrer zeitlichen Positionierung einen

unbestimmten Anfangszustand einnehmen können. Um

die Prozessführung hinreichend stabil und robust zu

gestalten, bedarf es vorab einer zeitlichen Abschätzung

der Modellzeit auf systembeeinflussende Ereignisse. Das

betrachtete Ereignis ist die Pendelbewegung der Last

nichtdeterministische

Kommunikation

deterministische

Kommunikation

BILD 7: Zeitkritischer Pfad –

Ressourcennutzung

BILD 8: Zeitversatz der Ressourcennutzung

und deren Einfluss (exemplarisch)

BILD 9: Beeinflussung Prozessführung

bei Fehlinterpretation von Prozessgrößen

atp edition

10 / 2012

41

HAUPTBEITRAG

während ihrer Positionierung. Mit den genutzten Ressourcen

sollen die Kompensation der Restpendelbewegung

und des vorhandenen Modellfehlers der Anlage

erfolgen. Auf Basis der Netzplandarstellung ergeben sich

automatisch die notwendigen Ressourcen und der kritische

Pfad für den Bereich der Stellgrößengenerierung

des Reglers, welche Bild 7 aufzeigt.

Hieraus wird ersichtlich, dass unter Berücksichtigung

dieser Annahmen (Bild 8), sich die Nutzung der Ressource

Kommunikation am zeitlich intensivsten auswirkt.

Bei einer angenommenen Positioniergeschwindigkeit

von bis zu 4 m/s ergibt sich bereits eine erhebliche Streuung

in der Positioniergenauigkeit. Für den Fall, dass die

vereinbarte zeitliche Beschränkung verletzt wird, muss

der nachgeführte Ersatzwert Vorrang vor dem veralteten

Messwert erhalten, da dies sonst zu einer erheblichen

Verschlechterung des Prozessverhaltens und zu einer

Fehlinterpretation des Systemverhaltens führen kann.

Diese Auswirkungen sind qualitativ in Bild 9 dargestellt.

Die mögliche Fehlinterpretation hängt immer ab vom

gewählten Ansatz der Rekonstruktion von Messwerten

und des zu kompensierenden Modellfehlers. Da bei einer

Rekonstruktion über einen Zustandsbeobachter auch die

Prozessgrößen zum Abgleich genutzt werden, folgt eine

nicht zu vernachlässigende Verfälschung des rekonstruierten

Parameters. Dieses Verhalten kann vermindert

werden, wenn die zeitliche Betrachtung dieser Situation

in den verteilten Ressourcen und ihren Applikationen

berücksichtigt wird.

FAZIT

Bereits bekannte Modellierungsverfahren erlauben es,

deterministische Systeme vollständig zu beschreiben.

Die Systeme, die deterministische und nicht deterministische

Subsysteme aufweisen, lassen sich unter anderem

dadurch modellieren, dass ausschließlich deterministische

Kommunikationssysteme, wie echtzeitfähige

Feldbusse, verwendet werden. Der vorgestellte

Ansatz beschreibt vereinfacht die zeitliche Modellierung

eines komplexen Systems, welches sowohl deterministische

als auch nicht-deterministische Subsysteme

aufweist. Dabei wird unter anderem die für technische

Systeme und Anlagen spezifizierte Metamodellierungssprache

SysML verwendet. Die Constraint-Blöcke

in SysML dienen der Festlegung nicht-funktionaler

Randbedingungen. Im beschriebenen Anwendungsfall

sind das die zeitlichen Rahmenbedingungen. Unter Verwendung

der Netzplantechnik, die auf der Graphentheorie

basiert, lässt sich durch die Verkettung der modellierten

Blöcke ein anschaulicher Überblick über das

Gesamtsystem gewinnen.

Im Beitrag wurde die Methode des kritischen Pfades

verwendet, bei der die Übergänge beziehungsweise Transitionen

als Pfeile dargestellt werden. Bei dieser Vorgehensweise

ist eine rechnergestützte Auswertung möglich.

Darüber hinaus bietet dieses Verfahren eine hohe

Sicherheit bei der Abschätzung des zeitlichen Verhaltens

des Gesamtsystems. Engpässe im zeitlichen Verhalten

können bereits während der Modellierungsphase erkannt

und behoben werden. Der Einsatz des Online-Beobachters,

der eine Einzelüberwachung, der verschiedenen

Systemzeiten durchführt kann zu Handlungsempfehlungen

zur Anpassung einzelner Zeiten und zur Optimierung

des kritischen Pfades und damit zur zeitlichen

Optimierung des Gesamtsystems verwendet werden.

REFERENZEN

MANUSKRIPTEINGANG

30.04.2012


[1] Grimm, B.: Virtuelle Inbetriebnahme von Produktionsanlagen.

atp edition–Automatisierungstechnische

Praxis, 54(4), S. 28 – 33, 2012

[2] Urbas, L., Bleuel, St., Jäger, T., Schmitz, St., Evertz, L.,

Nekolla, T. Automatisierung von Prozessmodulen. atp

edition – Automatisierungstechnische Praxis, 54 (1– 2),

S. 44 – 53, 2012

[3] IEC 61131-3: Programmable controllers, 2003

[4] DIN EN 61499: Funktionsbausteine für industrielle

Leitsysteme, 2005

[5] DIN IEC 60050-351: Internationales Elektrotechnisches

Wörterbuch – Teil 351: Leittechnik, 2009

[6] Gillies, D.W.: Real-Time System References and

Reading Materials, Elec 494 Course on Real-Time

Software-Spring, University of British Columbia,

Dept. of Electrical Engineering, 1995

[7] Petri, C.A.: Kommunikation mit Automaten, Schriften

d. Rheinisch-Westfälischen Instituts f. instrumentelle

Mathematik Universität Bonn. Nr. 2, Darmstadt 1962

[8] Schorer, M., Mottok J., Kuntz St.: Beschreibung eines

kooperativen Tasksystems mit OSEK-konformen

Scheduler durch Petri Netze. In: Tagungsband 2. Embedded

Software Engineering Kongress, S. 637 – 644.

Vogel, 2009

[9] Frey, G., Hussain, T.: Entwicklung verteilter Steuerungen

mit UML und IEC 61499. In: Tagungsband Automation

2008, S. 199 – 202. VDI-Verlag, 2008.

[10] OMG Systems Modeling Language, 2010 ( http://www.

sysml.org/docs/specs/OMGSysML-v1.2-10-06-02.pdf )

[11] ISO/IEC 19505-1/ 2: Information technology-Object

Management Group Unified Modeling Language (OMG

UML), 2012

[12] OMG Object Constraint Language (OCL) Version 2.3.1

(http://www.omg.org/spec/OCL/2.3.1)

[13] DIN EN 14238: Krane – Handgeführte Manipulatoren; 2009

[14] Hausding, P: Systemmodellierung mit SysML, Studienarbeit

am Institut für Informatik, Lehr- und Forschungseinheit

Systemanalyse, Humboldt Universität Berlin 2009

[15] DIN 69900-01, Projektmanagement – Netzplantechnik;

Beschreibungen und Begriffe, 2009.

[16] Aichele, Ch.: Intelligentes Projektmanagement,

Kohlhammer Verlag, 2006

42

atp edition

10 / 2012

AUTOREN

Prof. Dr.-Ing. STEPHAN SCHÄFER (geb. 1970)

lehrt seit 2010 an der Hochschule für Technik und

Wirtschaft HTW in Berlin. Zu seinen Forschungsschwerpunkten

zählen die Modellierung und der

Einsatz komplexer Automatisierungssysteme in

heterogenen Industrieumgebungen, verteilte Echtzeitsysteme

und die Ergonomie- und Gestaltungsanforderungen

an SCADA und HMI-Oberflächen.

HTW Berlin, FB1,

Wilhelminenhofstraße 75A, D-12459 Berlin,

Tel. +49 (0) 30 50 19 34 66,

E-Mail: stephan.schaefer@htw-berlin.de

Dipl.-Ing. DIRK SCHÖTTKE (geb. 1962) ist Mitarbeiter

im Studiengang Elektrotechnik der HTW Berlin

und dort im Bereich Prozesssteuerungssysteme

tätig. Zu seinen Hauptarbeitsgebieten gehören die

Analyse, der Entwurf und die Entwicklung von

SW-Lösungen für Anwendungen in der Industrieund

Gebäudeautomation sowie die Bereiche der

Feldbussysteme und der verteilten Echtzeitsysteme.

HTW Berlin, FB1,


Tel. +49 (0) 30 50 19 35 64,

E-Mail: dirk.schoettke@htw-berlin.de

Prof. Dr.-Ing. ULRICH BERGER (geb. 1959)

leitet seit 2001 den Lehrstuhl für Automatisierungstechnik

und ist seit 2011 Mitglied des

Fakultätsrates der Fakultät Maschinenbau,

Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen

der Brandenburgischen Technischen Universität

(BTU) Cottbus.

BTU Cottbus, Lehrstuhl AT,

Postfach 101344, D-03013 Cottbus,

Tel. +49 (0) 355 694 11 11,

E-Mail: ulrich.berger@tu-cottbus.de

THOMAS KÄMPFE (B.Eng.) (geb. 1983) studiert an

der HTW Berlin im Masterstudiengang Informations-

und Kommunikationstechnik. In seiner

Masterarbeit beschäftigt er sich mit der Thematik

„Funktionaler Anwendungsentwurf für verteilte

Automatisierungslösungen am Beispiel seilgeführter

Handhabungssysteme“.

HTW Berlin, FB1,


Tel. +49 (0) 30 50 19 35 64,

E-Mail: thomas.kaempfe@student.htw-berlin.de

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atp edition

10 / 2012

43

HAUPTBEITRAG

Safety und Security

für Feldbus-Anforderungen

Architektur ermöglicht Nachweisbarkeit und Echtzeit

Für die fehlersichere Kommunikation existiert eine Reihe von Safety-Protokollen, die

entweder über einen separaten Safety-Feldbus ausgeführt oder in einen Standard-Feldbus

sicher eingebettet werden. Durch das wachsende Risiko von Angriffen auf Automatisierungssysteme

wurde in letzter Zeit die Security ein immer wichtigeres Thema. In diesem

Beitrag wird eine Architektur zur Kombination von Safety- und Security-Methoden vorgestellt.

Dabei sind die Security-Methoden so gewählt, dass die Gültigkeit der Safety-

Fehlermodelle erhalten bleibt, während die Security-Ziele ohne Einschränkungen erreicht

werden. Die Wechselwirkungen zwischen den Methoden werden hinsichtlich Safety- und

Security-Kriterien sowie der Effizienz analysiert.

SCHLAGWÖRTER Safety / Security / Feldbus / Kommunikation / Integrität / Vertraulichkeit

Safety and security for fieldbus requirements –

Architecture allowing validification

There are many protocols for fail-safe communication that are either executed over a

separate safety fieldbus or safely embedded in a regular fieldbus. Because of the growing

risk of attacks against automation systems, security became an increasingly important

issue. Safety and security measures apply different methods in order to achieve different

goals. Their combination causes inevitable interactions. In this paper, an architecture for

the combination of safety and security measures is presented. There the security measures

are chosen such that the fault models of safety still hold and the security goals are

reached without limitations. The interactions between the measures are analyzed with

respect to safety and security criteria as well as efficiency.

KEYWORDS safety / security / fieldbus / communication / integrity / confidentiality

44

atp edition

10 / 2012

FELIX WIECZOREK, FRANK SCHILLER, Beckhoff Automation

Moderne Feldbusse sind häufig Teil komplexer

Automatisierungs-Netzwerkarchitekturen.

Spätestens seit die Prozess- und Felddaten

über Industrial Ethernet oder drahtlos transportiert

werden, kann nicht länger vorausgesetzt

werden, dass die Feldbusumgebung nur aus vertrauenswürdigen

Kommunikationsteilnehmern besteht.

Es ist davon auszugehen, dass auch Angreifer Zugang

zum Feldbus erhalten.

Safety-Protokolle in Feldbussen erkennen Fehler, um

vor sicherheitskritischen Situationen zu schützen [1, 2].

Bei diesen Protokollen stehen zufällige Fehler im Fokus.

Sie sind nicht ausgelegt, um vor Manipulation der Daten

oder unbefugtem Lesen durch intelligente Angreifer zu

schützen, da diese keinesfalls zufälligen Ereignissen

entsprechen. Um die Angreifer zu berücksichtigen, müssen

zusätzliche Security-Mechanismen in Feldbus-Protokolle

eingeführt werden.

Laut Kerckhoffs’ zweitem Prinzip [3], bekannt als

Kerckhoffs’ Prinzip, wird vorausgesetzt, dass ein Angreifer

alles über das Zielsystem einschließlich aller Komponenten

und Prozesse weiß oder in Erfahrung bringen

kann – nur nicht die Schlüssel, auf deren Grundlage die

Daten geschützt werden. Die konsequente Anwendung

dieses Prinzips führt zu Lösungen, für die der nie ermittelbare

Wissensstand eines Angreifers unerheblich ist.

Es ist nur noch notwendig, die Länge der Schlüssel entsprechend

dem technischen Fortschritt zu erhöhen [4].

1. FEHLERSICHERE KOMMUNIKATION

1.1 Safety-Ziele

Allgemein ist das Ziel der Safety, das Risiko einer Gefahr

in der gesamten Anlage und deren Umgebung zu

verringern. Dies wird durch die Gewährleistung eines

sicheren Zustandes erreicht. Ein sicherer Zustand liegt

dann vor, wenn definitiv kein Fehler auftritt oder das

System im Fehlerfall mit festgelegt hoher Wahrscheinlichkeit

sicher reagiert.

Für die Kommunikation bedeutet dieses Ziel, die Integrität

der übertragenen Informationen zu sichern. Die

Integrität von Informationen impliziert die Korrektheit

dieser Informationen und die Erkennbarkeit von Fehlern.

Die Integrität einer Safety-Funktion gewährleistet daher

ihre korrekte Funktionsweise einschließlich einer sicheren

Reaktion im Falle eines Fehlers (daher der Begriff

fehlersichere Kommunikation).

Safety-Mechanismen zielen darauf ab, aufgetretene

Fehler mit hoher Wahrscheinlichkeit zu erkennen beziehungsweise

die Wahrscheinlichkeit für unerkannte Fehler

(Restfehlerwahrscheinlichkeit) zu minimieren. Zudem

müssen spezielle Fehlermuster erkannt werden

können (deterministische Kriterien, vergleiche Abschnitt

1.2). Der Hauptfokus fehlersicherer Kommunikation

liegt auf zufälligen Fehlern, auch wenn mittlerweile

in den entsprechenden Safety-Normen [1] die Beachtung

von intelligenten Angriffen angemahnt und auf

Security-Standards verwiesen wird.

1.2 Fehlermodelle

Das in der Safety typischerweise verwendete Fehlermodell

der Kommunikation ist der Binary-Symmetric-

Channel (BSC). Dieses Modell setzt voraus, dass

die übertragenen Bits unabhängig voneinander

verfälscht werden,

jedes Bit mit derselben Wahrscheinlichkeit

verfälscht wird (Bitfehlerwahrscheinlichkeit p),

die Verfälschung vom Wert 0 zum Wert 1 mit

derselben Wahrscheinlichkeit auftritt wie die vom

Wert 1 zum Wert 0.

Die Modellannahmen des BSC treffen offensichtlich

nicht im vollen Umfang zu. Es gibt Fehler, die mit einer

höheren Wahrscheinlichkeit als einer gemäß dem BSC

auftreten. Beispielsweise ist die Wahrscheinlichkeit einer

kompletten Inversion eines Telegramms der Länge n

nach BSC sehr gering. Da jedes Bit mit p verfälscht wird,

atp edition

10 / 2012

45

HAUPTBEITRAG

ergibt sich hier die Wahrscheinlichkeit aus p n . Eine

Inversion kann aber die Folge eines einfachen Hardwarefehlers

mit viel höherer Wahrscheinlichkeit sein.

Deshalb werden zum probabilistischen Kriterium der

Restfehlerwahrscheinlichkeit zusätzliche deterministische

Kriterien für Maßnahmen festgelegt. Diese sind die

vollständige Erkennung von:

komplett invertierten Telegrammen,

komplett auf 1 oder 0 gesetzten Telegrammen,

Telegrammen mit Bandfehlern (Slack-Fehler),

Telegrammen mit Bündelfehlern,

verfälschten Telegrammen mit ungerader Anzahl

verfälschter Bits und

verfälschten Telegrammen mit einer kleineren

Anzahl verfälschter Bits als eine minimale

Hamming-Distanz (HD).

In der allgemeinen Codierungstheorie beschreibt die minimale

HD die minimale Anzahl von Bits, die mindes tens

verändert werden müssen, damit aus einem gültigen Codewort

ein anderes generiert wird. Daher bedeutet in der

Kommunikation die HD, wie viele Bits mindestens verfälscht

sein müssen, um potenziell ein unerkennbares fehlerhaftes

Telegramm zu erhalten. Beispielsweise bedeutet

eine HD von 6, dass alle 1- bis 5-Bit-Fehler erkennbar sind.

Erst von den 6-Bit-Fehlern sind einige nicht erkennbar.

Die deterministischen Kriterien hängen nicht von den

Annahmen des BSC ab; die entsprechenden Nachweise

beziehen sich nur auf Code-Eigenschaften. Da der BSC

nicht umfassend gilt, reicht für Safety-Nachweise eine

Argumentation nur auf Basis der Restfehlerwahrscheinlichkeit

nach BSC nicht aus. Eine Analyse entsprechend

der deterministischen Kriterien ist unabdingbar.

1.3 Safety-Lösungen

Um Übertragungsfehler zu erkennen, wird im Sender

eine Prüfsumme Frame-Check-Sequence (fcs) vor der

Übertragung an die Daten angehängt. Beim Empfänger

wird die Konsistenz zwischen der empfangenen fcs und

den empfangenen Daten geprüft. Falls die Konsistenz

gilt, wird die Korrektheit der Daten angenommen. Es gibt

verschiedenen Techniken für eine solche Art der Fehlererkennung.

Eine weitverbreitete Codierungstechnik ist

der Cyclic-Redundancy-Check (CRC). Dabei lässt sich

mit einer relativ geringen Anzahl an Prüfsummenbits

eine geringe Restfehlerwahrscheinlichkeit erreichen.

Die fcs wird mithilfe eines Generatorpolynoms berechnet,

das einen signifikanten Einfluss auf die Qualität der

Fehlererkennung hat [5, 6, 7].

Allgemein wird die Restfehlerwahrscheinlichkeit

P re durch

n

P re =∑ A i ∙ p i ∙ (1– p) n–i ,

i = HD

berechnet, wobei A i die Anzahl der unerkennbaren Fehlermuster

mit i verfälschten Bits eines n-Bit-Telegramms

darstellt. Neben der Berechnung der Restfehlerwahrscheinlichkeit

kann auch die Einhaltung deterministischer

Kriterien nachgewiesen werden [8].

2. SECURITY-KOMMUNIKATION

2.1 Schutzziele

Die Security-Ziele für die Kommunikation weisen einige

Unterschiede zu den Safety-Zielen auf. Typische Security-Ziele

sind in [9, 10, 11] aufgeführt. In diesem Beitrag

sind die Ziele von [9] abgeleitet, die auch mit [12] vereinbar

sind. Im Folgenden werden nur die drei wichtigsten

definiert.

Integrität (Integrity) ist die Korrektheit von Funktionen

und Informationen. Veränderungen durch Unbefugte

müssen unmöglich oder wenigstens erkennbar sein.

Diese Aussage ist mit der obigen Definition von Integrität

im Bereich der Safety vereinbar. Allerdings steht

bei der Security die Erkennung von Manipulationen statt

der Erkennung von zufälligen Fehlern im Fokus.

Vertraulichkeit (Confidentiality) von Funktionen und

Informationen liegt vor, wenn für unautorisierte Parteien

kein Wissen über diese ableitbar ist.

Die Vertraulichkeit ist eines der klassischen Ziele der

Kryptographie. Sie wird durch Verschlüsselungssysteme

erreicht (siehe Abschnitt 2.3). Es ist wichtig hervorzuheben,

dass eine garantierte Vertraulichkeit nicht vor einer

Verkehrsanalyse schützt, das heißt die Information, welche

Kommunikationspartner wann und wie viel kommunizieren,

bleibt nach wie vor erhalten und kann für

einen Angreifer wertvoll sein.

Verfügbarkeit (Availability) von Funktionen und Informationen

liegt vor, wenn diese genutzt werden können,

wann es geplant ist.

Funktionen und Informationen müssen also nicht permanent

zur Verfügung stehen, sondern nur dann, wenn

sie tatsächlich benötigt werden.

In diesem Beitrag werden nur die zwei Ziele Integrität

und Vertraulichkeit behandelt. Die Verfügbarkeit kann

nicht auf Protokollebene gegen aktive Angreifer geschützt

werden, da Fehler wie das Löschen von Telegrammen

zwar erkannt, aber nicht verhindert werden

können. Die vorgeschlagene Architektur wurde unter

der Maßgabe entwickelt, die vorhandene Verfügbarkeit

nicht zu beeinträchtigen.

2.2 Angreifermodell

Die Fähigkeiten eines Angreifers werden mittels eines

Angreifermodells beschrieben. Ein Angreifer versucht

immer, ein oder mehrere Schutzziele zu brechen. Angreifer

auf Kommunikationssysteme unterscheiden sich

bezüglich der Aspekte.

Aktivität,

Lokalität und

Rechenleistung,

die im Folgenden genauer beschrieben werden.

46

atp edition

10 / 2012

Aktivitätsausprägungen. Das Angreifermodell beinhaltet

alle Aktivitäten, zu denen ein Angreifer fähig ist. Diese

Aktivitäten können passiv sein, wobei der Angreifer nur

die übertragenen Daten lesen, aber nicht verändern kann.

Dies ist ein realistisches Szenario, bei dem der Angreifer

zu Komponenten des Netzwerks Zugang hat, die nur Telegramme

lesen können, zum Beispiel Monitorports.

Mächtigere Angreifer hingegen sind aktiv, das heißt, dass

die Angreifer zudem Daten manipulieren.

In der Praxis werden die meisten Angreifer zumindest

einige aktive Fähigkeiten haben. Bei der drahtlosen Kommunikation

muss der Angreifer nur einen minimalen

Aufwand betreiben, um aktive Angriffe ausführen zu

können, aber auch der Zugang zu einem verbundenen

Gerät oder Kabel kann aktive Angriffe ermöglichen. Die

Datenmanipulationen können weiter unterschieden werden

in

das Blockieren von Daten,

das Verzögern von Daten,

das Erzeugen neuer Daten, die von einer anderen

Identität zu stammen scheinen,

das Wiedereinspielen von Daten, wobei der

Angreifer in der Lage ist, bereits gesendete Daten

erneut zu senden.

Lokalitätsausprägungen. Der Zugang ist entscheidend für

die Information, zu der ein Angreifer Zugriff hat. Diese

Zugänge werden unterschieden in:

Physikalischer Zugang zu einem Gerät. Dieser Zugang

kann zu sehr wirkungsvollen Angriffen führen.

Es können hier die Seitenkanalinformationen wie

etwa der Stromverbrauch oder das Laufzeitverhalten

bei der Verarbeitung von Schlüsseldaten ausgenutzt

werden. Physikalische Angriffe zielen auf Implementierungseigenschaften

bis auf die Hardware-

Ebene, die schwer kontrollierbar sind. Angreifer mit

physikalischem Zugang werden in diesem Artikel

nicht betrachtet; diese können nur auf konkreter

Implementierungsebene abgewehrt werden.

Zugang zu einzelnen Punkten im Feldbus. Der Angreifer

hat nur Zugang zu Telegrammen, die durch

diese Punkte des Feldbusses geroutet werden. Deshalb

hängt die Stärke des Angreifers stark von der

Routingstrategie im Feldbus ab.

Globaler Zugang zu allen Verbindungen im Feldbus.

Der Angreifer hat Zugriff auf alle übertragenen Daten.

Ein solcher Angreifertyp wird für die Untersuchung

von Security-Protokollen unterstellt.

Rechenleistungsausprägung. Die Rechenleistung eines

Angreifers ist immer beschränkt. Wenn der Angreifer

jedoch eine unbeschränkte Rechenleistung zur Verfügung

hätte, wäre eine erschöpfende Schlüsselsuche in

beliebig kurzer Zeit möglich.

Die Rechenleistung des Angreifers wird daher in für

ihn lösbarer Schlüssellänge gemessen. Eine gute Übersicht

über lösbare Schlüssellängen und Zeiten gibt [13].

Die Laufzeit von Angriffsalgorithmen gegen die im Folgenden

beschriebenen Lösungen, erhöht sich exponentiell

mit steigender Schlüssellänge, während sich die

Laufzeit der kryptographischen Algorithmen der berechtigten

Parteien linear erhöht.

2.3 Security-Lösungen

Überblick über Security-Algorithmen. Um die Schutzziele

zu erreichen, werden kryptographische Algorithmen

in Protokollen verwendet. Die Algorithmen können

wie in Bild 1 unterteilt werden. Alle kryptographischen

Algorithmen sind so gestaltet, dass deren Ausgaben

ohne Kenntnis des Schlüssels in relevanter Zeit

nicht von zufälligen, gleichverteilten Werten zu unterscheiden

sind. Diese Eigenschaft wird als pseudozufällig

bezeichnet.

Die asymmetrische Kryptographie basiert auf NPschweren

Problemen (zum Beispiel der ganzzahlige

Faktorisierung großer Zahlen). Die Verschlüsselung

erfolgt dort mit einem öffentlichen Schlüssel, für die

Entschlüsselung wird der zugehörige private Schlüssel

benötigt. Asymmetrische Kryptographie skaliert in großen

Systemen, so werden für n Parteien, O(n) Schlüsselpaare

erfordert.

Die symmetrische Kryptographie basiert darauf, dass

jeweils kommunizierende Parteien dieselben Schlüssel

teilen. Die Algorithmen der symmetrischen Kryptographie

können schneller abgearbeitet werden als die der

asymmetrischen Kryptographie, sie skalieren aber

nicht. In einem System von n Parteien werden O(n²)

Schlüssel benötigt. Die symmetrische Kryptographie

kann weiterhin in Block- und Stromverschlüsselung

unterschieden werden.

Bei Blockchiffren werden die zu verschlüsselnden Daten

in Blöcke gleicher Länge geteilt. Jeder Block wird separat

mit dem Schlüssel verarbeitet. Mit jeder Änderung

eines Bits eines Eingabeblocks soll jedes Bit des Ausgabeblocks

mit der Wahrscheinlichkeit von 0,5 verändert

werden (strict avalanche criterion, [14]). Dadurch wären

die Safety-Fehlermodelle nicht gültig (Abschnitt 1.2).

BILD 1: Klassifikation kryptographischer Algorithmen

atp edition

10 / 2012

47

HAUPTBEITRAG

Stromchiffren verwenden den Schlüssel für die Initialisierung

und erzeugen dann einen pseudozufälligen

Strom. Sie sind effizient in Hardware implementierbar,

aber die Erfahrung im Design und der Analyse von

Stromchiffren ist geringer als die von Blockchiffren.

In vielen kryptographischen Protokollen wird ein hybrider

Ansatz gewählt, um die Performanz der symmetrischen

Verschlüsselung mit der skalierenden Schlüsselverwaltung

der asymmetrischen Verfahren zu kombinieren,

wie beispielsweise bei [15] beschrieben. In

diesen Protokollen wird ein Schlüssel unter Verwendung

asymmetrischer Algorithmen ausgetauscht. Die zu übertragenden

Daten werden später durch den ausgetauschten

Schlüssel mit einem symmetrischen Algorithmus

geschützt.

Asynchrone Stromchiffren propagieren Fehler in den

entschlüsselten Datenstrom, da empfangene Daten auf

den Schlüsselstrom rückgekoppelt werden [17]. Diese

Eigenschaft würde sich nachteilig auf die Anwendbarkeit

der Safety-Fehlermodelle auswirken (Abschnitt 1.2).

Im Folgenden konzentriert sich der Beitrag auf eine

echtzeitfähige Kommunikation, wobei synchrone Stromchiffren

verwendet werden. Es wird angenommen, dass

die Schlüssel jeder Partei bereits bekannt sind, zum Beispiel

als Resultat eines Schlüsselaustauschs.

Verschlüsselungssystem. Verschlüsselungssysteme

bestehen aus zwei Algorithmen: einem zum Ver- und

einem zum Entschlüsseln. Basieren diese Algorithmen

auf symmetrischer Kryptographie, so sind sie häufig so

ähnlich, dass nur der Verschlüsselungsalgorithmus Enc

angegeben wird. Die hier betrachteten Verschlüsselungen

auf Basis von Stromchiffren führen ein bitweises

exklusives Oder (XOR) des Schlüsselstroms und des

Datenstroms im Klartext aus. Derselbe Schlüsselstrom

darf nicht mehrfach benutzt werden, um eine erfolgreiche

differenzielle Kryptanalyse [16] zu verhindern. Diese

Art der Verschlüsselung wird One-Time-Pad (OTP)-

Mode genannt [17].

Integritätssysteme. Integritätssysteme verwenden

kryptographische Algorithmen, um die Integrität von

Daten zu schützen. Die Integrität von Daten wird von

einem Message-Authentication-Code (mac) geschützt.

Der erzeugende Algorithmus wird in der Literatur oft

ebenfalls als Message-Authentication-Code bezeichnet.

Im Folgenden wird er zur Unterscheidung von der kryptographischen

Prüfsumme mac als MAC bezeichnet. Der

Algorithmus bildet den mac aus den zu übertragenden

Daten data und einem Schlüssel k: mac = MAC k (data). Der

mac wird den Daten angehängt, im Folgenden durch

data zmac dargestellt.

Der Empfänger prüft die Konsistenz zwischen den

empfangenen Daten und dem empfangenen mac mittels

des Schlüssels mit einem Verifikationsalgorithmus

Vrf k (data, mac).

Die MAC-Algorithmen werden ähnlich wie Blockchiffren

mit Konfusion- und Diffusion-Prinzipien entworfen,

was zu den bereits genannten strict-avalanche-Eigenschaften

führt [14]. Daher wird erwartet, dass jeder Bitfehler

die Hälfte der Bits des mac beeinflusst und daher

keine HD wie bei der Analyse der Safety bestimmt werden

kann. Ähnlich wie bei Blockchiffren gilt ein MAC-

Algorithmus als sicher, wenn er pseudozufällig ist. Moderne

MAC-Algorithmen auf Basis von Stromchiffren

werden zum Beispiel von [18] und [17] beschrieben.

3. INTERAKTION VON SAFETY- UND

SECURITY-MECHANISMEN

3.1 Schwache Erkennung von Manipulationen

Die fcs auf Basis des CRC kann nicht als Security-Integritätsinformation

genutzt werden, da ein Angreifer zum

Beispiel Vielfache des Generatorpolynoms des CRC ohne

Aufdeckung mit bitweisem XOR überlagern kann. Sogar

für beliebige Manipulationen lässt sich die originale fcs

wieder einstellen. Für Datensätze mit vorher festgelegter

fcs kann eine Manipulation leicht durchgeführt werden

[19]. Besonders die deterministischen Kriterien widersprechen

der erforderlichen Eigenschaft einer pseudozufälligen

Ausgabe (vergleiche Abschnitt 3.3). Wenn

beispielsweise eine HD>1 existiert, sinkt der Aufwand

ungemein, um unerkennbare Fehlermuster mit nicht vernachlässigbarer

Erfolgswahrscheinlichkeit zu erzeugen.

3.2 Schwache Erkennung von zufälligen Fehlern

Der Verifikationsalgorithmus deckt Datenverfälschungen

auf. Daher ist die Idee naheliegend, mit dessen

Hilfe auch zufällige Fehler aufzudecken. Für die entsprechende

Analyse wird der mac im Folgenden unter

den Annahmen des BSC (vergleiche Abschnitt 1.3) betrachtet.

Dabei wird vorausgesetzt, dass sowohl der

Schlüssel zufällig gleichverteilt gewählt wird, als auch

der mac gleichverteilt ist, was dessen Konstruktionsprinzip

entspricht:

P(MAC(data 1 ) = mac) = P(MAC(data 2 ) = mac)

wobei data 1 ^ data 2 , mac d!0,1+ ymacy .

Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei verschiedene Datensätze

denselben mac erzeugen, ist also gleich. Der

MAC-Algorithmus ist entsprechend seinen Designkriterien

deterministisch, das heißt, bei gleichem Schlüssel

wird für gleichen Datensatz der gleiche mac erzeugt.

Das Telegramm data zMAC(data) mit dem Fehlermuster

e führt zu den fehlerhaften Daten

(data zMAC(data))’

= (data zMAC(data)) 5 e = data z (MAC(data))’

Wenn e nur den mac beeinflusst, sodass

(data zMAC(data))’ = data z(MAC(data))’

gilt, ist der Fehler immer erkennbar,

Vrf(data,(MAC(data))’) = false 6 data

da der MAC(data) deterministisch ist.

48

atp edition

10 / 2012

Wenn hingegen der Fehler auch data beeinflusst,

erkennt mit Wahrscheinlichkeit 2 –ymacy die Verifikation

Vrf(data,(MAC(data))’) den Fehler nicht. Diese

Wahrscheinlichkeit ist unabhängig von der Verfälschung

des mac, da alle mac gleich wahrscheinlich

sind. Deshalb ist die Gesamtwahrscheinlichkeit eines

unerkannten Fehlers

P re = 2 –ymacy ∙ (1– (1– p) ydatay ),

wobei p die Bitfehlerwahrscheinlichkeit nach BSC

darstellt.

Der Security-Integritätsschutz kann für zufällige Fehler

nur mit dem Modell des BSC berechnet werden. Da

die Wahrscheinlichkeit unerkennbarer Fehler für jedes

Fehlermuster gleich ist, lassen sich keine Aussagen über

die Erkennbarkeit von deterministischen Fehlern machen.

Deswegen reicht ein Security-Integritätsschutz

keinesfalls aus, um Safety-Anforderungen zu genügen.

Allerdings kann die Kombination von MAC- und CRC-

Mechanismen einen Vorteil haben. Der MAC-Algorithmus

erzielt eine genügend kleine P re zufälliger Fehler

unabhängig von der Länge der Eingabedaten. Der Safety-

Integritätsmechanismus erkennt Fehler, die den erforderlichen

deterministischen Kriterien entsprechen.

Dazu müssten natürlich auch zufällige Fehler bei der

Abarbeitung des MAC sicher im Sinne von Safety behandelt

werden.

Diese zufälligen Fehler können zum Beispiel durch

Anordnung der Algorithmen wie in Bild 4 erkannt werden.

Dann wird keine zusätzliche Analyse benötigt.

Wenn eine solche Anordnung nicht vorliegt, muss in

Safety- und Security-relevanten Umgebungen die Ausführung

von Security-Algorithmen vor zufälligen Fehlern

entsprechend anders (beispielsweise durch Redundanz)

geschützt werden.

4. INTEGRIERTE ARCHITEKTUR

BILD 2: sec-then-safe-Ansatz

BILD 3: sec-and-safe-Ansatz (nur Senderseite)

Aus Sicht des Senders sind prinzipiell drei verschiedene

Ansätze möglich, wie die Security- und Safety-Mechanismen

angeordnet werden können:

sec-then-safe (vergleiche Bild 2) würde in einer

sicheren Umgebung die Safety-geschützte Ausführung

der Security-Algorithmen erfordern, da die

Safety-Berechnungen in der Automatisierungskomponente

direkt nach dem Empfang der Daten

durchgeführt werden.

sec-and-safe (siehe Bild 3) könnte vertrauliche

Information über die Daten über die im Klartext

übertragene fcs preisgeben.

safe-then-sec (vergleiche Bild 4). Hier wird die

Security-relevante Integrität der Daten durch

mac geschützt. Die Eigenschaft der Erkennung

zufälliger Fehler kann, wie im folgenden Abschnitt

aufgezeigt wird, komplett erhalten werden.

Zufällige Fehler von Security-Mechanismen

werden ebenfalls von den Safety-Mechanismen

erkannt.

BILD 4: safe-then-sec-Ansatz

atp edition

10 / 2012

49

HAUPTBEITRAG

Der sec-then-safe-Ansatz hat zudem den Vorteil, dass er

Fehler mit nachweisbarer Restfehlerwahrscheinlichkeit

und deterministischen Kriterien erkennt. Diese Eigenschaft

wird im Folgenden detailliert beschrieben.

Eine korrekt arbeitende Security-Schicht darf die Anzahl

der fehlerhaften Bits eines Telegramms nicht verändern,

um das Safety-Fehlermodell (insbesondere dessen

deterministische Kriterien) nicht zu verletzen. Die Operationen,

die die Anzahl der fehlerhaften Bits erhalten, sind:

Permutation der Bits des Telegramms,

XOR des gegebenenfalls verfälschten Telegramms

mit einem Datenstrom,

Hinzufügen zusätzlicher Daten vor dem Senden wie

ein mac, die nach dem Empfang entfernt werden.

Die Permutation von Daten erzeugt nicht die notwendige

Komplexität, um eine ausreichende Vertraulichkeit

zu gewährleisten. Die Anzahl möglicher Permutationen

eines Telegramms hängt von den konkreten

Werten ab, das heißt das komplette 0-Telegramm kann

nur auf sich selbst abgebildet werden. Deshalb ist die

Permutation ungeeignet.

Eine angehängte zusätzliche Information lässt sich

nutzen, um die Integrität eines Telegramms zu schützen,

während das XOR mit einem pseudozufälligen Strom

verwendet wird, um Vertraulichkeit eines Telegramms

zu erreichen. Die vorangegangenen Betrachtungen führen

zu der in Bild 5 veranschaulichten Architektur. Die

Safety-Schicht deckt alle Fehler mit mindestens derselben

Güte auf wie die Security-Schicht.

Die Anordnung der Mechanismen innerhalb der Security-Schicht,

die Vertraulichkeit und Integrität sicherstellen,

wird bei [20] betrachtet. Es sind prinzipiell drei

Anordnungen möglich:

Enc-and-MAC. Die Verschlüsselung und die mac-

Bildung werden beide auf die zu übertragenden

Daten angewandt. Das geschützte Telegramm ist

Enc k1 (data) zMAC k2 (data). Dieses Schema wird in

Secure Shell (SSH) verwendet, ein weitverbreitetes

Protokoll zum Fernzugriff.

MAC-then-Enc. Der mac wird über die zu übertragenden

Daten erzeugt und angehängt. Danach wird

diese Verkettung verschlüsselt. Das geschützte

Telegramm ist demzufolge

Enc k1 ((data) zMAC k2 (data)). MAC-then-Enc wird

zum Beispiel in Transport-Layer-Security (TLS)

verwendet.

Enc-then-MAC. Enc-then-MAC verschlüsselt zuerst

die zu übertragenden Daten und schützt dann die

Integrität der verschlüsselten Daten. Dieses Vorgehen

resultiert in

Enc k1 (data) zMAC k2 (Enc k1 (data)), vergleiche Bild 5.

In [20] wird dargestellt, dass ohne weitere Annahmen

über die Algorithmen nur Enc-then-MAC die Ziele der

Security erreicht. Mit synchronen Stromchiffren erreicht

jedoch auch das MAC-then-Enc-Schema die Ziele. Allerdings

ist die Leistung von Enc-then-MAC besser, da die

Verschlüsselung nicht zusätzliche Bits des pseudozufälligen

Stroms zur Verschlüsselung des mac verbraucht.

BILD 5: Architektur der Security- und Safety-Layer

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

Eine effiziente Kombination von Safety- und Security-

Algorithmen für ihre Anwendung in Echtzeit-Umgebungen

ist möglich – und nötig. Die Architektur sowie die

Wahl der Algorithmen nach den Bildern 4 und 5 erfüllen

die notwendigen Eigenschaften:

Integrität – Die unerkannte Manipulation von

Daten ist für den Angreifer nicht möglich, da er

die angehängte mac nicht erzeugen kann. Auch

das Duplizieren und Löschen von Telegrammen

wird erkannt, da die mac vom aktuellen Zustand

der Stromchiffre abhängt.

Vertraulichkeit – Die Daten werden kryptographisch

gesichert. Einem Angreifer ist es mit einer aktuell

realistisch angenommenen Rechenleistung unmöglich,

Informationen über die Daten zu gewinnen.

Gültigkeit der Safety-Fehlermodelle – Da die

Fehlermuster durch die hier ausgewählten kryptographischen

Algorithmen und deren Anordnung

erhalten bleiben, sind die Safety-Fehlermodelle

anwendbar und die Safety-Nachweise behalten

ihre Gültigkeit.

Ein Prototyp wurde in C auf Windows mit der Stromchiffre

Grain-128a [21] in Kombination mit dem Feldbus

EtherCat implementiert. Der Laufzeitunterschied der

Slaves erhöhte sich durch die Abarbeitung des Security

Layers von etwa 7 μs auf etwa 8 μs bei relativ langen

Kommunikationszyklen von etwa 10 ms. Ein umfassender

Ausbau der Tests wird im Moment entwickelt.

Die Protokolle zur Anwendung der Architektur und

des Schlüsseltausches werden Gegenstand weiterer Forschung

sein. Zum Beispiel lassen sich für den Schlüsseltausch

weit verbreitete Protokolle verwenden, die wie

der Diffie-Hellman-Schlüsseltausch [22] auf asymmetrische

Kryptographie basieren. Da Algorithmen der asymmetrischen

Kryptographie kein deterministisches Laufzeitverhalten

aufweisen, muss der Schlüsseltausch vor

der Echtzeitphase der Kommunikation stattfinden.

MANUSKRIPTEINGANG

16.07.2012


50

atp edition

10 / 2012

REFERENZEN

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[22] Rescorla, E.: RFC 2631, Internet Key Exchange protocol version 2

(IKEv2). 1999

AUTOREN

M. Sc. FELIX WIECZOREK

(geb. 1985) ist wissenschaftlicher

Mitarbeiter für Safety & Security

der Beckhoff Automation GmbH.

Er studierte von 2005 bis 2011

Informatik an der TU München

und studierte 2009 ein Semester

an der Teknilinen Korkeakuolu

(Helsinki University of Technology),

Helsinki, Finnland. Seine Arbeitsgebiete sind

Security-Lösungen für Kommunikationseinrichtungen

und Komponenten der Automation.

Beckhoff Automation GmbH,

Ostendstraße 196, D-90482 Nürnberg,

Tel. +49 (0) 911 54 05 62 46,

E-Mail: f.wieczorek@beckhoff.com

Prof. Dr.-Ing. FRANK SCHILLER (geb. 1966) ist

wissenschaftlicher Leiter für Safety & Security der

Beckhoff Automation GmbH. Er studierte Elektrotechnik

an der TU Dresden und promovierte 1997

an der TU Hamburg-Harburg. Nach verschiedenen

Stationen bei Siemens war er von 2004 bis

2011 als Professor für Automatisierungstechnik

an der TU München tätig. Seine Tätigkeitfelder

umfassen die sicherheitsgerichtete Kommunikation,

software-basierte Sicherheitssteuerungen und die Kombination

vom Safety- und Security-Algorithmen für die Automatisierung. Er

lehrt als Gastprofessor an der (Huádōng Lǐgōng Dàxué,

East China University of Science and Technology), Shanghai, China.

Beckhoff Automation GmbH,

Ostendstraße 196, D-90482 Nürnberg,

Tel. +49 (0) 911 54 05 62 44,

E-Mail: f.schiller@beckhoff.com

atp edition

10 / 2012

51

HAUPTBEITRAG

Plug and Prognose

Condition monitoring, diagnosis and life time prediction

The aim of Plug and Prognose (PnP) is to develop a machine prognostics technology that

delivers simple, reliable machine health and prognostics information to owners of machine

tools and similar rotary equipment. PnP utilizes a collection of data-driven prognostics

algorithms to track machine health, identify incipient faults and predict possible

remaining useful life from data collected from the machine controller and external sensors.

PnP communicates with the machine controller to understand what condition the

machine is operating under and automatically adapts the prognostics models to different

machine operating conditions, which reduces false alarms and ensures that the results

are as accurate as possible. It generates prognostics information without machine modeling,

custom parameterization, or special machine test cycles – that is, as close to “plug

and play” as possible.

KEYWORDS prognostics / diagnosis / remaining useful life prediction /

anomaly detection / condition monitoring / condition based maintenance

Plug and Prognose –

Überwachen, diagnostizieren und Laufzeit vorhersagen

Plug and Prognose bietet eine Diagnoselösung, die einem Plug-and-Play-Konzept so nahe

kommt wie möglich. Das in diesem Beitrag behandelte Werkzeug ist dafür konzipiert, den

Maschinenzustand zu beobachten und entstehende Störungen zu erkennen, ohne dass

dafür eine Modellierung der Maschinenphysik, eine manuelle Parametrierung oder spezielle

Maschinentestzyklen erforderlich sind. Die Software des Plug-and-Prognose-Prototyps

kommuniziert mit der Maschinensteuerung, um die Betriebsbedingungen der

Maschine – oder welche Funktion sie gerade ausführt – zu erfassen, und nimmt die Daten

von der Maschine und ihren Sensoren auf. Anschließend wird die Datenanalyse anhand

von in der Vergangenheit erfassten Daten für diese spezifischen Bedingungen angepasst.

Um auch neue Betriebsbedingungen berücksichtigen zu können, erstellt Plug and Prognose

automatisch neue Analysemodelle, wenn neue Bedingungen erkannt werden.

SCHLAGWÖRTER Prognose / Diagnose / Vorhersage der Restnutzungsdauer /

Erkennung von Abweichungen / Zustandsüberwachung /

Zustandsabhängige Wartung

52

atp edition

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LINXIA LIAO, ZACHERY EDMONDSON, HARTMUT LUDWIG, Siemens

Unexpected downtime has significant impact to

the productivity and total cost of ownership

(TCO) in the manufacturing industry. Continuous

monitoring of equipment and early

detection of incipient faults can support maintenance

decision making, prevent downtime, and increase

productivity and save costs. Many manufacturing

plants have adopted condition-based maintenance (CBM)

systems which continuously deliver data related to the

equipment’s performance. However, it is still challenging

to make effective use of the huge amount of data to

accurately detect impending equipment failure in order

to help maintenance practitioners quickly diagnose problems

and provide decision support to proactive maintenance

activities.

Generally, there are two types of methodology available

to engineers for prognostics purposes: physics-based

modeling and data-driven approach. Very accurate prognostics

information can be achieved using physic-based

modeling when the physics is well understood. However,

an accurate physics model is usually prohibitive to

be obtained, especially for complex systems, and may

not be easily to be adapted to other types of equipment.

Data-driven approach provides reasonable prognostics

information when data is easy to obtain. The models are

more adaptable to types of applications. However, datadriven

approaches require large amounts of data and can

be difficult to maintain due to lack of expertise in data

analysis. Moreover, the models may generate lots of false

alarms due to lack of adaptability to the changes in machine

operating conditions.

Despite the fact that many methods have been developed

in the literature [1-4], challenges remain in how

to adapt prognostics algorithms to different equipment

operating conditions and many types of applications

with small amount of effort, and how to embed the prognostics

solutions closer to the equipment to ensure information

to be delivered to the right people on the right

time. In [5], Plug and Prognose technology was applied

to a machine tool feed axis application with specific

focus on performance assessment and diagnosis techniques.

This paper gives a more complete overview of

PnP technology, addresses additional remaining useful

life prediction capability and different implementations,

and shares the experience of applying PnP technology

for more types of applications.

1. METHODOLOGY OF PLUG AND PROGNOSE

Plug and prognose (PnP) automates a collection of stateof-the-art

datadriven algorithms to minimize human

intervention of using the technology. PnP technology

develops a mechanism to adapt the prognostics models

to different machine operating conditions, which reduces

false alarms and ensures that the results are as

accurate as possible. PnP has been implemented as a

desktop application and an integration method is also

developed to embed prognostics into Programmable

Logic Controller (PLC) systems to target broader applications.

1.1 Methodology Overview

Figure 1 shows the overview of the data analysis flowchart.

In many cases, the operating condition of a piece

of equipment is alternating over time due to different

operating conditions of the machine. The operating condition

can be determined by the operational data, e.g. a

single control signal such as speed, feed rate, and direction,

etc., or a combination of multiple control signals. If

the prediction model associated with an operating condition

already exists, the measurement data (e.g. senor input

of current, vibration and temperature, etc.) is input

to the prediction model to generate prediction result. If

an operating condition has never been encountered in

the past, a new operating condition is created. The prediction

model of the new operating condition is trained

when a predefined number of data records have been

collected. After the prediction model is trained, it starts

generating prediction result. The prediction result is or-

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10 / 2012

53

HAUPTBEITRAG

ganized according to the sequence of the appearance of

the operating condition over time. The prediction model

and the output of prediction result are described in section

1.2.

1.2 Data Analysis Methods

This section describes the data analysis techniques

which are used in Plug and Prognose. The operational

data is used for operating condition identification. The

prediction model applies to the measurement data after

the operating condition identification step.

Operating Condition Identification: The purpose of

the operating condition identification step is to automatically

identify different operating conditions

based on the operational data. The algorithm initializes

with zero number of operating condition and

evolves to adapt to new operating conditions automatically.

If the newly observed operational data is

within a predefined control limit, the existing cluster

of operating condition will be updated by the newly

observed operational data. If not, the new operational

data will be saved until enough observations are

accumulated for building new operating condition.

Further data analysis is performed within each operating

condition on the measurement data.

Meaningful Data Identification: This algorithm identifies

a window or multiple windows which contain

the most stationary data (without frequency change

overtime) in the original dataset to avoid noisy measurement.

Even though in some situations transient

data (with frequency change overtime) can potentially

reveal additional information of machine defect,

additional effort is needed to define a specific

transient period and advanced data acquisition device

is required to capture the transient data. For

many rotary components, stationary data contains

abundant periodical characteristics for rotary component

defect detection. Hence, PnP uses a meaningful

data identification algorithm to identify the most

stationary data. The algorithm consists of the following

steps:

Use a moving window to go through the original

signal and generate a set of windows (set A);

Identify a set of windows (set B) which have the

smallest changes of short-time root mean square

(indicating the change of amplitude) from set A.

This removes data with transient amplitude;

Identify the window in set B with the minimum

value of the sum of wavelet packet energy in the

high frequency wavelet packets (indicating the

change of frequency overtime). This removes data

with transient frequency.

Signal Processing and Feature Extraction: Signal

processing and feature extraction algorithms decompose

the multiplesensor input into a feature space

which is relevant to the equipment health status.

Time domain analysis is used to extract RMS (Root

Mean Square), MEAN (average value), Kurtosis, Crest

factor, and Skewness from the vibration signal. FFT

(Fast Fourier Transform) decomposes a vibration

signal into its component frequencies and their amplitude.

The amplitude or its energy (defined as sum

of the squares of amplitudes) over specific frequency

bands (e.g. rotating frequency and its harmonics

and/or bearing passing frequency at outer race) are

calculated as features. Wavelet packet transform

(WPT) represents a signal in terms of a waveform

(known as mother wavelet) with a finite length or

fast decaying oscillating characteristic. The transform

can obtain higher resolution within the timefrequency

domain with higher computational efficiency

comparing to FFT. The energies of the coefficients

of the nodes in the last layer of the decomposition

are calculated as features. Principal

component analysis (PCA) is used to select a subset

of optimal features which contains variance information

higher than a predefined threshold (90%).

Performance Assessment: Performance assessment

algorithms quantitatively evaluate the deviation of

the most recent behavior to the normal behavior or

baseline. The output is a performance / health indicator

showing the deviation between the current

behavior and the nominal operation. The continuous

drifting of the health indicator shows the gradual

degradation of mechanical components. The spikes

shown by the health indicator indicate anomaly

situations. The SOM (Self Organizing Maps) method

is applied to the features extracted from data collected

only at normal condition in an unsupervised

manner. After a SOM is set up as a description of the

normal condition, for each input feature vector, a

best matching unit (BMU) can be found among the

neurons in the trained SOM. The distance between

the input feature vector and the weight vector of the

BMU, which can be defined as the minimum quantization

error (MQE) and used as the machine health

indicator, actually indicates how far the input feature

vector deviates from the normal condition.

Diagnosis: Diagnosis algorithms analyze the patterns

embedded in the data to determine what previous

observed failure or abnormality has occurred. Depending

on data availability, the output can be a

contribution chart showing which sensor contributes

to the fault if no failure data or label is available.

If the model is trained using labeled data, the output

is a predicted label with a probability indicating how

likely a previously experienced fault has appeared.

A supervised SOM, which contains the fault patterns

(labels), is set up using the faulty data indicated

by users. After the supervised SOM is set up,

it can be used for diagnosis when new observation

is obtained. The diagnosis result is decided by the

largest probability of each fault pattern given the

observation.

Performance Prediction: Performance prediction algorithms

are used to extrapolate the pattern of the

degradation and predict the system behavior in the

future. A particle filter method is used to predict the

future projection of the performance/health indica-

54

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Analysis Method

Automatic Operating

Condition Identification

Meaningful Data

Identification

Main Algorithms Used

Adaptive Clustering

Time Domain Analysis

Wavelet Packet Transform

Signal Processing and

Feature Extraction

Fast

Fourier

Transform

Wavelet

Packet

Transform

Time

Domain

Analysis

Principal

Component

Analysis

TABLE 1: Summary of

Data Analysis Methods

Health Assessment

Diagnosis

Prediction

Self-Organizing Maps (Unsupervised Learning)

Self-Organizing Maps (Supervised Learning)

Particle Filter

…

…

O1 O2 O3 O2 O_new On

t

P LC

O – Operating Condition

M – Prediction Model

R – Prediction Result

Operating Condition

Identification

Learn New Model

O1 O2 On O_new

M1 M2 … Mn M_new

R1 R2 R3 R2 R_new Rn

t

Program Running in RT

Operating System

P LC

C ycle

S FB

Embedded

Prognostics

Software

FIGURE 1: Methodology Overview

DAQ Device

Equipment

Sensors

Optional

Third-Party

Device

FIGURE 4: System Structure of Embedded Prognostics on

PLC Systems

FIGURE 2: Data Analysis Flowchart

FIGURE 3: System Structure of Plug-and-Prognose on PCs

atp edition

10 / 2012

55

HAUPTBEITRAG

tor when an initial fault is detected until it reaches

a predefined failure threshold. The failure threshold

is determined as a threshold beyond which the system

is not recommended for future use. The time

from the starting of prediction to the time when the

indicator reaches the failure threshold is output as

an indicator to remaining useful life (RUL). The output

is an estimated RUL with its confidence bounds.

More details and background of the specific algorithms

can be found in [5, 8 – 9]. Table 1 summarizes the data

analysis method used in PnP.

1.3 Overview of the System Structure

Currently, PnP technology has two types of implementations

which are Prognostics on PCs and embedded prognostics

on PLC systems. This section describes the overview

of the system structure of both implementations.

1.3.1 Prognostics on PCs

The PnP software on PCs consists of two parts: data collection

and data analysis as shown in Fig. 3. Data collection

is installed on a PC close to the monitored equipment

to collect data from external sensors and controller.

DAQ manager communicates with the controller (e.g. via

OPC server) to trigger data collection (e.g. collect data

while the machine is in use). Data collector collects data

both from sensors (e.g. accelerometers) and controller

(e.g. spindle speed and feed rate). Data is saved locally

on the PC and uploaded periodically to a remote PC (e.g.

via Siemens ePS). Data collection software is implemented

using C# language with a user interface for users to

configure DAQ parameters (e.g. sensor types, address of

OPC server, and sampling frequency). Data analysis software

downloads and processes the data to generate prognostics

results. The algorithms mentioned in section 1.2

are implemented in Matlab script using Matlab 2010a.

1.3.2 Embedded Prognostics on PLC Systems

Figure 4 shows the system structure of embedded prognostics

software on PLC systems. The PLC cycle runs

cyclically from the program running in a real-time operating

system. The program in the PLC cycle collects

data from the DAQ (Data Acquisition) device which is

connected to sensors installed on the equipment. It can

also collect data from internal sensors through services

(e.g. OPC server). The PLC cycle can be regular or high

speed cycles depending on the requirement of sampling

frequency. Multiple PLC cycles can be used to collect

data using different sampling frequencies. When a preset

number of data samples are collected, a system function

block is initialized to transfer the data in buffer to be

processed by the embedded prognostics software as described

in section 1.1 & 1.2. The prognostics analysis

software (e.g. implemented in DLL format) processes the

received data and output prognostics information which

can be further visualized with a connected HMI system.

It also provides opportunity to use third-party device.

2. APPLICATION EXAMPLES

This section shows examples and results of applying plug

and prognose technology to many types of applications

such as feed axis and cutting tools on machine tools both

on test-bed and in partial production environment, and

turbine generator in service as well as a prototype of a

PLC system with embedded prognostics software.

2.1 Feed Axis Anomaly Detection and Diagnosis

As shown in Figure 5, the feed axis test-bed was designed

and built by TechSolve Inc. (www.techsolve.org) using

a Siemens 840D Solution Line controller, a motor and

a ball screw, a ball nut and two bearings. Three acceler-

FIGURE 5: System Setup of the Feed Axis Test-bed [5]

FIGURE 6: Anomaly Detection Using a Single Digit Health Indicator

56

atp edition

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ometers (PCB model 607A11) and four thermocouples

type J were installed on different components. Three

signals (direction, encoder position and torque) were

outputted from the controller through a digital to analogue

module sitting on a rack (ET200-S) as analog output

(AO) signals. A National Instruments (NI) data acquisition

system was used to collect all the sensory data via

USB connection at a sampling rate of 5000 Hz. The laptop

communicated with the controller to trigger data acquisition

and obtain operating condition related variables.

No human interference was required after starting the

data acquisition software. As the axis was operating, data

was collected and saved on the laptop automatically.

The test-bed was run under situations of different

speeds, loadings and directions (as parameters of different

operating conditions) with the following labeled

health conditions (normal & faulty):

Normal (neither misalignment nor degradation)

End bearing misalignment 0.002”

End bearing misalignment 0.007”

Ball nut misalignment 0.007”

Reverse end bearing misalignment 0.002”

Ball nut misalignment 0.007” + End bearing

misalignment 0.007”

Degradation (due to wear)

Bent ball screw

Only data collected under the normal condition was used

to train the PnP prediction model (using unsupervised

SOM) as baseline within each operating condition. Data

obtained under other health conditions were compared

with the baseline. The result was a single digit health

indicator showing the deviation from the baseline. The

health indicator, which was called MQE (Minimum

Quantization Error) and was shown on the y-axis in Fig.

6, was the output of the self-organizing maps as described

in [5]. Figure 6 showed that the health indicator

clearly visualized the system’s normal condition (shown

as green dots with the lowest MQE value) and different

types of faulty conditions (dots in other colors with higher

MQE values than the normal condition). If two types

of faults were showing similar level of health indicator,

a probability was output as well indicating how likely

a certain type of previously experienced fault had happened.

For example, the end bearing misalignment 0.007”

and bent ball screw fault showed similar level of MQE

in Fig. 6. An additional probability was output showing

how certain the fault happened. A high probability of

99.43 % and 93.06 % showed the fault type was bearing

misalignment 0.007” and bent ball screw, respectively.

2.2 Cutting Tool Health Monitoring and Life Time

Prediction

FA Deckel Maho DMU50 machine with a Siemens 840D

PowerLine control was selected by TechSolve Inc. for

testing the PnP software on an actual machine tool to

track the degradation of the cutting tools. The system

setup is shown in Figure 7. An accelerometer was mounted

on the spindle. A J-type thermocouple was installed

on either side of the X axis bearings. The thermocouples

were not used as input of the prediction model since they

were not directly related to the cutting tool health. Instead,

the thermocouples were used for feed axis health

monitoring. Hence, the vibration was used as an external

sensor input in this case. The spindle rotating speed, feed

rate and tool number were recorded from the controller

as parameters of the operating conditions.

The vibration data collected for different cutting tools

was automatically separated into different operating conditions

by PnP via classifying the combination of the

abovementioned parameters obtained from the controller.

The health indicator, which was the same as described

in section 2.1, of different cutting tool was output

FIGURE 7: System Setup of the Cutting Tool Health Prognostics [6] FIGURE 8: Continuous Degradation Tracking [6]

atp edition

10 / 2012

57

HAUPTBEITRAG

as the analysis results within different operating conditions.

The data collected right after the installation of

the cutting tool was trained by the prediction model as

the baseline. The rest of the data was compared with the

trained baseline. In our case, each cutting tool was used

with one combination of rotating speed and feed rate. If

multiple combinations of these parameters were associated

with the same cutting tool, the health indicator

would be generated from multiple operating conditions

for that cutting tool after a predefined number of samples

for baseline were collected for each operating condition.

Figure 8 showed the result of the health indicator (MQE)

of the entire life cycle of a cutting tool. The result clearly

showed the gradual degradation of the cutting tool

through its life time.

When the health indicator started to show an explicit

trend, the performance prediction algorithm was triggered

to estimate the remaining useful life or remaining

life to service. Our assumption was that a mechanical

system usually went through three phases of gradual

degradation during the entire life time: (1) no degradation

trend, (2) degradation propagation, and (3) dramatic

deterioration right before failure. If no degradation trend

was shown, the predictability is low. The remaining useful

life distribution tended to be very different when the

fault progression just started and when it was right before

failure. Hence, a regime identification mechanism was

included in the algorithm to detect which degradation

phase the machine was in based on historical data. The

characteristics used to determine the regime were standard

deviation, trendability and monotonicity (as described

in [7]) of the health indicator. A particle filter

algorithm [8] was actually used to propagate the trend of

the health indicator until it reached the pre-defined

thresholds according to engineering experience in different

degradation phases. There were two thresholds (as

shown in Figure 9) used in the case. One threshold was

the so called warning threshold which was set at the

stage when it was necessary to conduct maintenance

service to the machine. The other threshold was the failure

threshold, which indicated an actual failure. The

two thresholds were used for predicting remaining life

to service and remaining useful life, respectively.

The first two predictions started at cycle 60 and 100

which were denoted by the brown square and the purple

square in Figure 9, respectively. The blue dots were the

actual health indicator. The regime identification mechanism

detected that these two cycles were both in the

second phase. Hence, the parameters of the particle filter

were updated using the MQE that were in phase two. The

prediction result was shown as brown dots and purple

dots for the two predictions, respectively. The density of

the predicted remaining life to service was shown by a

scaled (for good visualization purposes) probability density

function (pdf) via fitting a Gaussian distribution.

The third prediction started at cycle 174 (denoted by

red square). The remaining useful life (RUL) was predicted

by propagating the particles in the particle filter

updated using the MQE that were only in phase three,

because it was detected to be in the dramatic deterioration

phase. The densities of the predicted end of life were

shown by a scaled probability density function as well.

The plot of life time pdf clearly showed the most probable

remaining life time to service or failure and its distribution.

It was noticed that the earlier in the life time

when the prediction started, the larger the confidence

bounds were. Finally, all the cycles in phase two and

phase three were used as the starting point of the life

time prediction. The average error percentage of the predicted

RULs was 4.79 %.

2.3 Turbine Generator Anomaly Detection and Diagnosis

In the case study, the purpose was to use the existing

PnP algorithms with minimum changes to analyze the

FIGURE 9: Remaining Useful Life/Life to Service Prediction

FIGURE 10: System Setup of Turbine Generator Monitoring

58

atp edition

10 / 2012

6-months’ turbine generator data trying to find out whether

any potential detrimental event or degradation pattern

happened in the history, and to identify the leading contributing

factors/measurements to the event or pattern.

Data received contains 32 measurements (including

speed, temperature and pressure, voltage, and current

and average vibration level, etc.) sampled each minute

and was saved in CSV file format with time stamps over

a 6-month period. No label information was provided.

PnP automatically grouped data measured when the

turbine was running at stable conditions with speeds

ranging from 3597 to 3603 revolutions per minute (rpm)

for pattern learning. The first half a months’ data was

selected as the baseline after confirmed with engineers

that in this period of time the generator was running in

good condition. All measured data in the 6 months was

compared with the baseline for anomaly detection. PnP

outputted a single digit health indicator to indicate the

overall generator health condition. The higher this indicator,

the more the current health condition deviated

from baseline. If an anomaly (e.g. a spike appears in the

health indicator) was detected, PnP prioritized the contributing

measurement to determine which

measurement(s) led to the anomaly. It helped engineers

to quickly find out which measurement contributed the

most to the deviation (shown as spikes in the health indicator).

An example is shown in Figure 10. By zooming in the

PnP output on the Panel PC, there were spikes on the day

of Nov 30th, 2011, which was considered as a potential

anomaly ‘Event’. There was no turbine shutdown event

close to that time stamp, but the health indicator showed

big spikes. By looking at the contributing measurement,

power factor was listed as the leading contributing factor

(the one drops most in the ‘Cause’ plot). The method used

to find the contributing factor is described in [5]. Moreover,

the cause plot showed that the voltages were increased

as the second contributing factors. Based on the

information, engineers can quickly confirm that the oscillating

of power factor during the 15 minutes actually

indicates a potential dangerous state of the generator, and

prepare inspection and maintenance accordingly. It was

noticed that there was no label given to train the PnP

algorithms. If engineers wanted to label this event as a

certain type of fault, the algorithm can be updated and

output the label with a probability showing how likely

this fault reappeared in the future.

2.4 Embedded Prognostics on PLC Systems

A motor test-bed was built for the purposes of validating

the concept of embedding prognostics capabilities into

PLC systems. For the testbed, which is shown in Figure

11, a Maxon dc motor (A-max 26), rubber wheel (loading)

and coupling were assembled. A mount was designed to

support the motor. The motor was powered with 24 VDC.

An accelerometer (IMI PCB 624B61) was installed on the

housing of the motor. The output range of the accelerometer

was between -5 and +5 volts. The data was conditioned

using a signal conditioner (IMI 682A02) which

provided 4 mA current excitation to the accelerometer

and output original signal in the scale of 1:1. The data

was taken at a sampling frequency 1 kHz (the PLC’s cycle

was set to 1 ms) using regular AI module (e.g. Siemens

AI 2x12bit; higher data conversion speed of 52 μs can be

achieved using high speed AI module, e.g. Siemens AI

8x14bit). The DI module (Siemens DI 16xDC24V) was used

to detect the running state (on/off) of the motor. The AI

and DI modules were connected to an interface module

(Siemens IM513-4PN) which was connected to the industrial

Ethernet. A PLC, where the Siemens WinAC software

was running on, was connected to the industrial

Ethernet via a PCI interface card (Siemens CP1616/

CP1604). A subset of the PnP software was ported into

C++ library running as DLLs in WinAC.

DC 24V

Power

B ase

Accelerometer

Mount

Motor

Load

A

Signal

Conditioner

PLC

PCI Interfa

ce

Interfa

ce

Module

AI

DI

Industrial Ethernet

FIGURE 11: Motor Test-bed for Validating Embedded Prognostics

FIGURE 12: Health Indicator for Various Motor Imbalance Situations

atp edition

10 / 2012

59

HAUPTBEITRAG

In order to test the performance assessment/anomaly

detection function, imbalance faults were introduced

manually to the motor test-bed. Small screws were installed

on different locations of the wheel panel which

was rotating with the shaft. As the location of the screw

changed, the imbalance patterns changed as well. It was

noticed that there existed misalignment due to the installation

of the loading on the shaft. The misalignment

existed in all balanced and imbalanced situations. The

algorithms should be able to detect the imbalanced patterns

despite of the misalignment.

Data was collected from each fault situation. For testing,

80 different records were used for each fault type.

Each data record contained 4092 data samples. There

were five different imbalance situations tested. Two energy

features (energy centered at the running speed and

its harmonic in the FFT spectrum) and six time domain

features (mean, standard deviation, and kurtosis, crest

factor and skewness and root mean square) were selected

as features to input to the performance assessment /

anomaly detection algorithm.

The anomaly detection algorithm in the prediction

model (specifically, an unsupervised self-organizing

map) was trained with only balanced data, which was

used as the baseline. Then the map was tested with other

data collected in situations of ‘1 Screw Near’, 1 Screw

Far, 2 Screw Near and 2 Screw Far. ‘1 Screw Near’ meant

that the screw was installed close to the bolt which was

used to fasten the loading with the shaft. ‘Near’ and ‘Far’

were both relative to the position of the bolt.

The results in Figure 12 show that when balanced

situation was trained as baseline, 2screwFar imbalanced

fault showed the biggest difference from the baseline.

The distances of different imbalances faults to the baseline

clearly differentiated 4 types of imbalance situations

with the balanced situation using the output of SOM

(MQE – a health indicator of deviation from baseline). A

possible reason of the increasing of the distance (MQE)

of class ‘1 Screw Far’ and ‘2 Screw Near’ is that the data

might not be taken at a perfect environment due to the

changing of the test-bed (e.g. loosening of the screw to

the fixture). However, the different levels of imbalanced

can still be well differentiated

The anomaly detection program was tested to run at a

real-time mode on the PLC. The program started collecting

data only when the motor is running. The baseline

was trained using unsupervised SOM after a predefined

number of data records were collected. After the baseline

was trained, the health indicator was calculated whenever

a new data record was collected. With this real-time

manner, the right information can be delivered to the

right person at the right period.

CONCLUSION

The paper presented the general methodology of plug

and prognose, which is a machine health monitoring

technology designed to automatically convert sensory

data into useful machine health related prognostics information.

Practices and experiment carried out on different

test-beds and industrial machines demonstrated

the effectiveness of applying the technology to many

types of machines with minimum human intervention.

By using this technology, no physics modeling of the

system is necessary. However, good understanding of

the physics of the system can contribute to better diagnosis

accuracy and can be incorporated into life time

prediction models. The implementation of the technology

on the PLC systems can potentially address broader

industrial applications.

MANUSKRIPTEINGANG

01.05.2012

REFERENZEN


[1] Jardine, A.K.S., Lin, D., Banjevic, D.: A Review on

Machinery Diagnostics and Prognostics Implementing

Condition-Based Maintenance. Mechanical Systems and

Signal Processing, 20(7), 1483 – 1510, 2006

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Life Estimation – A Review on the Statistical Data

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Research, 213(1), 1 – 14, 2011

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by Industry. Mechanical Systems and Signal Processing,

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[4] Kothamasu, R., Huang, S.H., Verduin, W.H.: System

Health Monitoring and Prognostics – A Review of

Current Paradigms and Practices. International

Journal of Advanced Manufacturing Technology, 28 (9),

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Diagnosis Incorporating Operational Data Applied to

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Engineering Conference, pp. 289-296. ASME, 2011

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Parameters from Data: A Genetic Algorithms

Approach. In: Proceedings Annual Conference of the

Prognostics and Health Management Society, pp. 1–11.

PHM Society, 2009

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Prognostics Methods for Battery Health Monitoring

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Instrumentation and Measurement, 58 (2), 291–296, 2009

[9] Liao, L., Wang, H., Lee, J.: A Reconfigurable Watchdog

Agent ® for Machine Health Prognostics. International

Journal of COMADEM, 11(3), 2–15, 2008

60

atp edition

10 / 2012

AUTOREN

LINXIA LIAO (born in 1979) is a

research scientist at Control

Systems department at Siemens

Corporation, Corporate Research

and Technology in the US.

His main research interests

include system and components

fault diagnostics & prognostics

and their integration on embedded

systems.

Siemens Corporation,

Corporate Research and Technology,

755 College Road East,

Princeton, NJ 08540, USA,

Tel. +1 609 7 34 35 20,

E-Mail: linxia.liao@siemens.com

ZACHERY EDMONDSON (born in 1982)

is the head of Control Systems

department at Siemens AG,

Corporate Technology in Germany.

His main area of work includes

control systems, languages and

optimization algorithms for control

platforms, and power and energy

management.





Tel. +1 609 7 34 35 74,

E-Mail: zachery.edmondson@siemens.com

HARTMUT LUDWIG (born in 1963)

is the head of Control Systems

department at Siemens Corporation,

Corporate Research and

Technology in the US. His main

area of work includes embed ded

real-time software development,

control architecture and algorithms

for mission and safety

critical systems.





Tel. +1 609 7 34 35 23,

E-Mail: hartmut.ludwig@siemens.com

Electric Drives Production

Konferenz und Ausstellung

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10 / 2012

61

IMPRESSUM / VORSCHAU

IMPRESSUM

VORSCHAU

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Oldenbourg Industrieverlag GmbH

Rosenheimer Straße 145

D-81671 München

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

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

www.oldenbourg-industrieverlag.de

Geschäftsführer:

Carsten Augsburger, Jürgen Franke

Spartenleiter:

Jürgen Franke

Herausgeber:

Dr. T. Albers

Dr. G. Kegel

Dipl.-Ing. G. Kumpfmüller

Dr. N. Kuschnerus

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Prof. Dr.-Ing. Ch. Diedrich

Prof. Dr.-Ing. U. Epple

Prof. Dr.-Ing. A. Fay

Prof. Dr.-Ing. M. Felleisen

Prof. Dr.-Ing. G. Frey

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Dipl.-Ing. Th. Grein

Prof. Dr.-Ing. H. Haehnel

Dr.-Ing. J. Kiesbauer

Dipl.-Ing. R. Marten

Dipl.-Ing. G. Mayr

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Dr.-Ing. J. Papenfort

Dr. A. Wernsdörfer

Dipl.-Ing. D. Westerkamp

Dr. Ch. Zeidler

Organschaft:

Organ der GMA

(VDI/VDE-Gesell schaft Messund

Automatisierungs technik)

und der NAMUR

(Interessen gemeinschaft

Automatisierungs technik der

Prozessindustrie).

Redaktion:

Anne Hütter (verantwortlich)

Telefon + 49 (0) 89 4 50 51-4 18

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Gerd Scholz (gz)

Maria Kuwilsky (sky)

Einreichung von Hauptbeiträgen:

Prof. Dr.-Ing. Leon Urbas

(Chefredakteur, verantwortlich

für die Hauptbeiträge)

Technische Universität Dresden

Fakultät Elektrotechnik

und Informationstechnik

Professur für Prozessleittechnik

D-01062 Dresden

Telefon +49 (0) 351 46 33 96 14

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Fachredaktion:

Dr.-Ing. M. Blum

Prof. Dr.-Ing. J. Jasperneite

Dr.-Ing. B. Kausler

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Dr. rer. nat. W. Morr

Dr.-Ing. J. Neidig

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Praxis“ erscheint

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Praxis – rtp“ gegründet.

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Die Zeitschrift und alle in ihr enthaltenen

Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich

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