atp edition atp editionArbeitsabläufe in der Anlagenplanung optimieren (Vorschau)

9 / 2011

53. Jahrgang B3654

Oldenbourg Industrieverlag

Automatisierungstechnische Praxis

Fortschritt bei Simulation

von Montagemaschinen | 24

Life Cycle Support

per Simulator | 32

Arbeitsabläufe in der

Anlagenplanung optimieren | 40

Von Zäunen befreit | 52

EDITORIAL

Konzentration auf

das Wesentliche

Bei der Gestaltung automatisierter technischer Systeme werden in den verschiedenen

Phasen immer wieder mathematische Modelle erstellt, um zu

überprüfen, ob die gefundenen Lösungsansätze bestimmten Anforderungen im

Hinblick auf Zuverlässigkeit, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit genügen. Diese

Modelle bilden wenige ausgewählte Teilaspekte des zu beschreibenden Systems

ab, vieles wird bewusst vernachlässigt. Gerade in den frühen Phasen der Entwicklung

wären sehr umfangreiche Modelle auch eher hinderlich denn nützlich,

da viele Details zu diesem Zeitpunkt wenn überhaupt nur vage bekannt sind. Die

Nützlichkeit von Modellen zeigt sich bei der Planung von technischen Systemen

häufig weniger in der vollständigen Abbildung möglichst vieler Teilaspekte der

Realität, als vielmehr darin, dass sie die zum Entscheidungszeitpunkt aktuelle

Fragestellung mit einer dem unternehmerischen Risiko angemessenen Genauigkeit

und einem für die Modellierung vertretbaren Aufwand beantworten können.

In dieser Ausgabe der atp edition wird in zwei Aufsätzen beispielhaft aufgezeigt,

wie die Aufwände bei der Erstellung, Pflege und Anpassung der Informations-

und Simulationsmodelle in den Griff bekommen werden können. Eine

zentrale Rolle spielt dabei die automatisierte Ableitung aus der in den Planungsprozessen

generierten Information. Deutlich wird aus den Beiträgen aber auch,

dass generische Lösungen noch nicht in Sicht sind. Hierzu sind noch eine Vielzahl

von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten an der Schnittstelle von Theorie

und Praxis notwendig. Abgesehen von der wissenschaftlichen Weiterentwicklung

der mathematisch-technischen Lösungsansätze wird für die Überführung

in die Praxis von besonderer Bedeutung sein, ob es uns gelingt, durch eine nutzerfreundliche,

gebrauchstaugliche Gestaltung der Planungs-, Unterstützungsund

Hilfesysteme unsere Ingenieure zu befähigen, die Ergebnisse der Simulationsexperimente

trotz aller Automatisierung kritisch hinterfragen und bewerten

zu können. Hoffnungsfroh stimmt mich, dass diese zukunftsweisenden Entwicklungen

in der Automatisierungstechnik von einer Reihe von Fachausschüssen

und Arbeitskreisen von GMA und Namur aktiv mitgestaltet werden.

Die atp edition wird diesen Wandel in der automatisierungstechnischen Praxis

wissenschaftlich und praxisorientiert begleiten. Dabei muss sie sich selbst ebenfalls

kontinuierlich neu erfinden, um den hohen Qualitätsansprüchen ihrer Leser

gerecht zu werden. So finden Sie ab dieser Ausgabe mit etwa 6-monatigem

Vorlauf Aufrufe zur Beitragseinreichung zu aktuellen thematischen Schwerpunkten.

Die von Prof. Schiller eingeführte Fachredaktion wird weiter ausgebaut.

Zudem arbeiten wir intensiv daran, die Bearbeitungszeiten Ihrer Beiträge für die

atp edition zu verkürzen und die Sichtbarkeit in den einschlägigen Suchmaschinen

des Internets zu erhöhen.

PROF. DR.-ING.

LEON URBAS,

Chef redakteur atp edition

atp edition

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INHALT 9 / 2011

VERBAND

6 | Plant Asset Management in der Prozessindustrie

IEC 1906 Award geht an 14 deutsche Experten

FORSCHUNG

7 | Halbleiterkomponenten dreidimensional integrieren

Energie gewinnen bei kleinen Temperaturdifferenzen

BRANCHE

8 | AutomationML-Plugfest: Hart arbeiten statt feiern

atp-Themenschwerpunkte: Gestalten Sie mit!

Deutsche MSR-Hersteller bauen Marktanteil aus

9 | Spielerisch das Anlagenmanagement optimieren

Die Erwartungen werden deutlich zurück geschraubt

10 | Feuer und Flamme für edle Textiloberflächen

12 | Berührungslose Füllstandskontrolle optimiert das

Downstream Processing der Antigenherstellung

16 | Webbasierte Fernüberwachung visualisiert

Solarpark-Daten flexibel und transparent

20 | Komplexe Smart Grids effizient mit

Standard-Steuerungen automatisieren

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HAUPTBEITRÄGE

24 | Fortschritt bei Simulation von Montagemaschinen

A. KUFNER, P. DREISS UND P. KLEMM

32 | Life Cycle Support per Simulator

H. KRAUSE, A. FRICK UND T. SCHIEFLOE

40 | Arbeitsabläufe in der Anlagenplanung optimieren

L. LIBUDA, G. GUTERMUTH UND S. HEISS

52 | Von Zäunen befreit

B. OSTERMANN, M. HUELKE UND A. KAHL

PRAXIS

60 | Robuste Laptops unterstützen die papierfreie und

lückenlose Dokumentation in der Pharmafertigung

RUBRIKEN

3 | Editorial

62 | Impressum, Vorschau

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VERBAND

Plant Asset Management in der Prozessindustrie

Der VDI/VDE-GMA-Fachauschuss 6.23 „Plant Asset

Management“ arbeitet derzeit an einem Ergänzungsblatt

der Richtlinie VDI/VDE 26 51 Blatt 1 „Plant

Asset Management (PAM) in der Prozessindustrie –

Definition, Modell, Aufgabe, Nutzen“.

Mit Konzepten des Plant Asset Management entstehen

neue Möglichkeiten zum übergreifenden Management

von Produktionsanlagen – insbesondere in der

Prozessindustrie. Mittels Plant Asset Management

werden – im Idealfall – Informationen über die Produktionsfähigkeit

und die Effektivität des Einsatzes

aller Anlagenkomponenten ständig verfügbar gemacht,

sodass darauf basierende Optimierungen vorgenommen

werden können.

Ein Spezifikationsblatt, das eine sinnvolle Hersteller-Anwender-Kommunikation

ermöglicht und ein

Methodenblatt, das verschiedene Diagnosemethoden

beschreibt, werden derzeit erarbeitet. Interessenten

mit Praxisbezug können sich dem Fachausschuss anschließen.

MIT PLANT ASSET MANAGEMENT lässt sich das

übergreifende Management von Produktionsanlagen

optimieren. Bild: VDI/ Ernsting

VDI/VDE-GESELLSCHAFT

MESS- UND AUTOMATISIERUNGSTECHNIK (GMA),

VDI-Platz 1,

D-40468 Düsseldorf,

Telefon: +49 (0) 211 621 40,

Internet: www.vdi.de

IEC 1906 Award geht an 14 deutsche Experten

Die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC)

würdigt besonders aktive technische Experten in den

IEC-Gremien mit dem IEC 1906 Award. Der Preis wird an

Experten vergeben, die sich bei der Bearbeitung aktueller

Normungsprojekte besondere Verdienste erworben haben.

Vorschlagende für den IEC 1906 Award sind die TC-Vorsitzenden

und -Sekretäre.

„Wir sind sehr stolz, dass wir erneut einen führenden

Platz eingenommen haben. 14 von 124 Preisträgern

des IEC 1906 Award kommen aus Deutschland.

Mit ihrer Tatkraft tragen diese engagierten Experten

stark zum Ansehen der deutschen Normung auf nationaler,

europäischer und internationaler Ebene bei“,

so Dr. Bernhard Thies, Sprecher der Geschäftsführung

der DKE.

Folgende deutsche Experten werden ausgezeichnet:

Prof. Dr. Hans Otto Seinsch, Gottfried Wilhelm

Leibniz Universität Hannover, Hannover

(TC 2 „Rotating machinery“);

Dr. Utz Richter

(TC 29 „Electroacoustics“);

Dr. Jens Martin Seifert, Lapp Insulators

(TC 36 „Insulators“);

Peter Tolksdorf, VDE Prüf- und Zertifizierungsinstitut

(TC 61 „Safety of household and similar electrical

appliances“);

Siegfried Rudnik, Siemens AG

(TC 64 „Electrical installations and protection

against electric shock“);

Prof. Dr. Christian Diedrich, Ifak – Institut für

Automation und Kommunikation

(TC 65 „Industrial-process measurement and

control“);

Benno Grosser, Siemens AG

(TC 65 „Industrial-process measurement and

control“);

Dr. Klaus Bücher, Optosolar

(TC 82 „Solar photovoltaic energy systems“);

Dr. Oliver Mayer, GE Global Research

(TC 82 „Solar photovoltaic energy systems“);

Dr. Klaus Beissner, Physikalisch-Technische

Bundesanstalt (TC 87 „Ultrasonics“);

Dr. Arman Nyilas, Cryogenic Engineering &

Materials Expertise (TC 90 “Superconductivity“);

Rainer Taube, Taube Electronic

(TC 91 „Electronics assembly technology“);

Werner Haab, UL International Germany

(TC 108 „Safety of electronic equipment within the

field of audio/video, information technology and

communication technology“);

Prof. Dr. Christoph Busch, Fraunhofer-Institut für

Graphische Datenverarbeitung

(JTC 1 „ISO/IEC Joint Technical Committee for

Information Technology“).

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

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atp edition

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FORSCHUNG

Halbleiterkomponenten dreidimensional integrieren

Das Internet der Dinge beantwortet Fragen rund um den

Transportweg. Kleine Elektronikkomponenten, in denen

Sensoren und Sender fast unsichtbar integriert sind, machen

es möglich. Herzstück der Technologie sind Systeme, die

Komponenten in einem Minibaustein integrieren. Wissenschaftler

am Zentrum ASSID (All Silicon System Integration

Dresden), einem Ableger des Fraunhofer-Instituts für

Zuverlässigkeit und Mikroelektronik IZM in Berlin, arbeiten

an Verfahren rund um die 3D-Systemintegration.

„Derzeit bestehen Systeme aus unterschiedlichen Komponenten:

Prozessorchips, Speicher, Sensoren oder Transceiver.

Jede wurde bisher als ein einzelner Baustein behandelt.

Bei der 3D-Technologie werden alle Komponenten in

ein System integriert und bilden ein sogenanntes „Systemin-Package“,

sagt Jürgen Wolf, Standortleiter des IZM-ASSID.

So gefertigte Systeme sind leistungsstark, denn die Signale

werden schneller übertragen und verarbeitet. Gleichzeitig

vereinigen sie mehr Funktionen, sind kleiner und

lassen sich besser in Endgeräte integrieren. Durch die kom-

plexe Bauweise sind sie außerdem energiesparend. „Energy

Efficient System in Package“ nennen die Fraunhofer-

Forscher ihre Erfindung. Für die elektrische Verbindung

sorgen kupfermetallisierte Durchkontaktierungen, die

Through Silicon Vias (TSV).

Gefragt sind die Systeme überall da, wo es um rasche

und komplexe Signalverarbeitung geht. Das Zentrum AS-

SID besitzt eine komplette 300mm-Prozesslinie für die 3D-

Integration. Gegen IMEC in Belgien, die bislang größte

Konkurrenz des Dresdner Instituts, will sich ASSID mit

der besonderen Nähe zu Industriepartnern durchsetzen.

Derzeit sind in Dresden 32 Mitarbeiter beschäftigt. Die

Zahl soll aber auf 50 Mitarbeiter steigen. Am IMEC in

Belgien arbeiten 3000 Angestellte.

FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FÖRDERUNG

DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V.,

Hansastraße 27 c, D-80686 München,

Tel. +49 (0) 89 120 50, Internet: www.fraunhofer.de

Energie gewinnen bei kleinen Temperaturdifferenzen

Aus Wärme mit kleinen Temperaturdifferenzen entwickelt

ein neuartiger Stirlingmotor eine Bewegung, die sich in

elektrischen Strom umwandeln lässt. Im Rahmen seiner Bachelorarbeit

entwickelte Eric Timmermann an der Fakultät

Maschinen- und Energietechnik der Hochschule für Technik,

DER STIRLINGSMOTOR

nutzt Energie aus einer

geringen Temperaturdifferenz.

Das Projekt für eine

Bachelorarbeit wird nun in

seiner Erweiterung vom

Forschungsministerium

gefördert. Bild: HTWK Leipzig

Wirtschaft und Kultur Leipzig (HTWK) dieses neue Antriebsmodell.

Der Prototyp seiner Erfindung läuft bereits bei einer

Wassertemperatur von 45 °C. Das Verfahren eignet sich für

unerschlossene Einsatzgebiete im Rahmen der Nutzbarmachung

regenerativer Energiequellen. Anfang August startete

nun mehrjähriges Forschungsprojekt zur Weiterentwicklung.

Eric Timmermann, der inzwischen das Masterstudium Maschinenbau

(Profillinie Mechatronik) absolviert, ist als wissenschaftlicher

Mitarbeiter beteiligt. Das Projekt wird mit

rund 280 000 Euro vom Forschungsministerium gefördert.

HTWK LEIPZIG,

Karl-Liebknecht-Str. 132, D-04277 Leipzig,

Tel. +49 (0) 341 307 60, Internet: www.htwk-leipzig.de

TTH300. Erste

Wahl für hohe

Flexibilität bei

der Temperatur-

Messung

Für den Einsatz in HART-, PROFIBUS

und FOUNDATION Fieldbus-Netzwerken

entwickelt, bietet der leistungsstarke

Temperatur-Messumformer TTH300

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ABB Automation Products GmbH

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atp edition

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BRANCHE

AutomationML-Plugfest: Hart arbeiten statt feiern

Mit einem „Plugfest“ will das Konsortium AutomationML

den Austausch von Planungsdaten mithilfe des

AutomationML-Datenformats testen. Bei der Veranstaltung

am 19. und 20. Oktober wird paarweise ein exemplarischer

Datenaustausch im neutralen AutomationML-

Datenmodell realisiert, um ein verbessertes Verständnis

für die Probleme beim Datenaustausch zu entwickeln.

Teilnehmen sollen Hersteller und Lösungsanbieter von

Werkzeugen, die über AutomationML-Schnittstellen verfügen

und insbesondere diejenigen, die nicht Mitglied des

Konsortiums sind. Das Plugfest findet statt im Science-to-

Business-Center, Centrum Industrial IT in Lemgo. AutomationML

befasst sich mit dem nahtlosen Datenaustausch

zwischen den verschiedenen Werkzeugen der unterschiedlichen

Phasen der Anlagenplanung. Dabei wurde

ein Format entwickelt, das alle Anlagendaten von der Topologie

über 3D-Geometrie und Kinematik bis hin zu Abläufen

und logischen Abhängigkeiten vereint.

AUTOMATIONML E.V. C/O IAF,

Universitätsplatz 2, D-39106 Magdeburg,

Tel.+ 49 (0) 391 671 18 26, Internet: www.automationml.org

atp-Themenschwerpunkte: Gestalten Sie mit!

DIE ATP EDITION wird künftig verstärkt thematische

Schwerpunkte setzen, zu denen wir Sie um Beitragsvorschläge

bitten. Im Heft 03/2012 möchten wir aktuelle und

perspektivische Entwicklungen von Informationssicherheit/IT-Security

in Wissenschaft und Praxis der Automatisierungstechnik

diskutieren. Zu diesem Spannungsfeld

zählen Themen wie Sicherheitsanalyse, Security in der

Kommunikation, die Gestaltung und Einführung von Security-Management-Systemen,

Standardisierungsprozesse

sowie Verantwortungs- und Ausbildungskonzepte.

Wir bitten Sie, bis zum 15. November gemäß atp-Autorenrichtlinien

ausgearbeitete Beitragsvorschläge per E-

Mail an urbas@oiv.de einzureichen. Die Autorenrichtlinien

senden wir Ihnen gerne zu (atp@oldenbourg.de). Ziel Ihres

Beitrags soll der Brückenschlag zwischen aktuellen Erkenntnissen

und Innovationen, methodischen Grundlagen

und künftigen Anwendungen in der industriellen

Praxis sein. Ansprechen soll Ihr Aufsatz technische Führungskräfte,

Entscheider und Key Experts der Automatisierungsbranche.

Alle Beiträge werden von einem Fachgremium

begutachtet. Möchten Sie sich aktiv an dem

Begutachtungsprozess beteiligen, nehmen Sie bitte Kontakt

mit uns auf.

Ihre Redaktion der atp edition

Leon Urbas, Gerd Scholz, Anne Hütter

Deutsche MSR-Hersteller bauen Marktanteil aus

Von 2000 bis 2010 hat Deutschland als Produzent für

Produkte und Lösungen der Mess-, Steuer- und Regeltechnik

(MSR-Technik) seinen Anteil der weltweiten Produktion

von sieben auf zehn Prozent ausgebaut – und

dabei Japan hinter sich gelassen. Michael Ziesemer, Vize-

DEUTSCHE MSR BAUT ANTEIL AUS: Innerhalb von zehn Jahren

konnte Deutschland seinen Anteil am weltweiten Markt für Mess-,

Steuer- und Regeltechnik deutlich ausbauen – die USA und Japan

sind die Verlierer. Quelle: ZVEI

Welt-Produktion 2000 in Mrd. € (Anteil in %) Welt-Produktion 2010 in Mrd. € (Anteil in %)

USA

USA

40 24

Japan

China

13 16

Deutschland

Deutschland

7 10

Großbritannien

Japan

6 6

Frankreich

105 Mrd. € Frankreich

118 Mrd. €

4 6

0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50

präsident des ZVEI und Vorsitzender des ZVEI-Fachbereichs

Messtechnik und Prozessautomatisierung, rechnet

vor: „Deutschland konnte mit einem Produktionsvolumen

von zwölf Milliarden Euro den dritten Platz hinter den

USA und China verteidigen. Die Produktionsanteile der

USA gingen von 40 auf 24 Prozent zurück, die von Japan

von 13 auf sechs Prozent. China konnte in diesem Zeitraum

den Anteil auf 16 Prozent stark ausbauen und hat

Japan von Platz zwei verdrängt.“

Stärken der deutschen Industrie seien die gut ausgebildeten

Fachkräfte, globaler Vertrieb und Service, hohe

Qualität der Produkte sowie technische Innovationskraft.

„In Deutschland ansässige Hersteller haben die richtigen

Trends erkannt. So haben sie zum Beispiel frühzeitig auf

die Anforderungen aus höherer Energieeffizienz und Klimaschutz

gesetzt“, begründet Ziesemer diesen Erfolg. Die

MSR-Technik macht zirka zehn Prozent des Gesamtumsatzes

der deutschen Elektroindustrie von 165 Milliarden

Euro im Jahr 2010 aus.

ZVEI - ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK- UND

ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V.,

Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main,

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

8

atp edition

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Spielerisch das Anlagenmanagement optimieren

TRAINING AM

SIMULATOR:

Im Online-Spiel

Plant-Manager

geht es darum

eine virtuelle

Anlage optimal

zu managen.

Bild: Siemens

Mit einem praxisnahen Online-Spiel können angehende

Ingenieure, aber auch gestandene Anlagenfahrer testen,

wie gut sie Anlagen managen können. Das Spiel Plantville

von Siemens richtet sich an Studenten und Bewerber,

aber auch an Siemens-Kunden und -Mitarbeiter (www.

plantville.com). Die Spieler verbessern darin Produktivität,

Effizienz und Nachhaltigkeit einer komplett simulierten

Fabrik. Plantville ist in englischer Sprache online

und hat inzwischen in mehr als 140 Ländern rund schon

16 000 registrierte Spieler.

Außer einem echten Anlagenmanager hat kaum jemand

eine Vorstellung von den Aufgaben und Herausforderungen

eines Anlageningenieurs. Daher hat Siemens Industry für

das Computerspiel Plantville drei typische Produktionsanlagen

ausgewählt: eine Flaschenabfüllanlage, eine Vitaminfabrik

und eine Eisenbahnfertigung. Ziel des Spiels ist,

Sicherheit, Qualität und Auslieferung der Anlagen zu verbessern.

Dazu müssen die Spieler zum Beispiel das Ener-

giemanagement oder die Mitarbeiterzufriedenheit optimieren

und können Siemens-Lösungen wie energiesparende

Servomotoren, Automatisierungssysteme oder Sprinkleranlagen

einsetzen. Sie können auch neue Mitarbeiter einstellen,

um die Produktivität zu erhöhen.

Eine vierte Anlage, eine „Fabrik des Jahres“, wird von

der Kunstfigur Pete vorbildlich geführt, die auch in das

Spiel einführt. Der Experte gibt den Teilnehmern immer

wieder Tipps. Pete verwendet dazu kurze Filme, Rätsel

oder Online-Chats im Plantville Café. Bei diesen Chats

leiten echte Anlagenexperten in regelmäßigen Abständen

Diskussionen zu Themen wie Maschinenoptimierung

oder Energieeffizienz. Zusätzlich können sich die Spieler

über Facebook, LinkedIn oder Twitter austauschen.

SIEMENS INNOVATIONNEWS,

Otto-Hahn-Ring 6, D-81739 München,

Tel. +49 (0) 89 63 64 58 99, www.siemens/innovationnews.de

Die Erwartungen werden deutlich zurück geschraubt

Erstmals sei eineinhalb Jahren verzeichnete die deutsche

Elektroindustrie im Juni einen Auftragsrückgang. Die

Bestellungen blieben acht Prozent unter ihrem Vorjahreswert.

„Allerdings hatte das Bestellwachstum im Juni letzten

Jahres mit einem Plus von 42 Prozent einen Höchstwert

erreicht“, unterstrich ZVEI-Chefvolkswirt Dr. Andreas

Gontermann. Aus dem Inland kamen im Juni 2011 drei

Prozent weniger Bestellungen als vor einem Jahr, aus dem

Ausland zwölf Prozent.

Noch im Mai waren die Bestellungen in der deutschen

Elektroindustrie „stark beeinflusst durch inländische

Großaufträge regelrecht explodiert“, so Gontermann. Sie

lagen 58 Prozent über dem Vorjahresniveau. Die Inlandsaufträge

hatten um 107 Prozent zugelegt, die Auslandsaufträge

um elf Prozent.

Im gesamten ersten Halbjahr 2011 haben die Auftragseingänge

ihren Vorjahresstand um 17 Prozent übertroffen.

Bei den Inlandsbestellungen belief sich das Plus auf 24

und bei den Auslandsbestellungen auf zehn Prozent.

„Offenbar auch vor dem Hintergrund der weltweit ungelösten

Schuldenprobleme ist das Geschäftsklima in der

deutschen Elektroindustrie im Juli dieses Jahres zum dritten

Mal in Folge gesunken“, so Dr. Gontermann. Zwar haben

die Elektrounternehmen die Einschätzung ihrer aktuellen

wirtschaftlichen Lage gegenüber Juni nur leicht nach unten

revidiert. Die Erwartungen für die kommenden sechs Monate

haben sich allerdings deutlicher abgeschwächt.

Hier fiel der Saldo aus positiven und negativen Beurteilungen

von 18 auf sechs Prozent. Dennoch: 94 Prozent der

Branchenfirmen bewerten ihre derzeitige Geschäftslage

als gut, sehr gut oder stabil. 88 Prozent der Firmen rechnen

mit gleich bleibenden oder weiter anziehenden Geschäften

im nächsten halben Jahr. Die Exporte der deutschen Elektroindustrie

blieben im Mai mit insgesamt 13 Milliarden

Euro noch auf Rekord-Kurs. „Dies war der höchste Ausfuhrwert,

der jemals in einem Mai erreicht wurde“, betonte

Gontermann.

ZVEI - ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK- UND

ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V.,

Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main,

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

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anche

Feuer und Flamme für edle Textiloberflächen

Durchgängiges Automatisierungssystem steuert Seng-Anlagen präzise und zuverlässig

Von Stoffbahnen abstehende kleine Härchen oder Fäden

erschweren die Weiterverarbeitung der Stoffe und

können die Qualität des textilen Endprodukts beeinträchtigen.

Wird eine nicht faserfreie Textiloberfläche

beispielsweise bedruckt, wirkt das Druckbild verwaschen;

auch haftet Schmutz leichter an. Weltweit werden

Stoffe daher vor ihrer weiteren Verarbeitung mit Sengmaschinen

und Vorbehandlungsanlagen der Osthoff-

Senge GmbH vorbehandelt. Für die hohe Präzision, einen

reibungslosen Ablauf und die einfache Bedienung der

Maschinen sorgt ein durchgängiges Automatisierungssystem

von Lenze.

Mehr als 3000 Seng- und Vorbehandlungsstraßen des

in Wuppertal ansässigen Unternehmens Osthoff-Senge

sind weltweit im Einsatz, um abstehende Fasern von Geweben,

Gestricken oder technischen Textilien wie Glasgewebe

oder Fleece zu entfernen. Die dadurch gewonnene

hochglatte Oberfläche verleiht dem Stoff nicht nur

eine feine und klare Optik, sondern sie erleichtert auch

seine weitere Verarbeitung und Pflege, weil unter anderem

die Neigung zu verschmutzen sowie die Pilling-

Bildung reduziert werden.

OFFENE FLAMME BRENNT ABSTEHENDE FASERN AB

Das Prinzip des Sengens, in der Fachsprache auch Gasieren

genannt, ist seit Jahrhunderten gleich und denkbar

einfach: Mit hoher Geschwindigkeit wird das zu behandelnde

Gewebe an einer offenen (Gas-)Flamme vorbeigeführt

und die abstehenden Fasern und Flusen dabei abgebrannt.

Um hochqualitative Sengergebnisse zu erhalten,

muss der Sengvorgang in Flammintensität und Maschinengeschwindigkeit

optimal auf das zu bearbeitende Material

abgestimmt sein. Zudem muss die Flammintensität

während des Sengens nachgeführt werden können. Die

Sengflamme muss schließlich über die gesamte Stoffbahnbreite

hinweg möglichst homogen und stabil sein,

damit keine Unregelmäßigkeiten entstehen.

Für die Einhaltung dieser Anforderungen sind die Maschinen

und Anlagen von Osthoff-Senge weltweit anerkannt.

Die von dem Unternehmen entwickelte und durch

Patent geschützte Brennertechnologie erzeugt eine

1250 °C heiße Flamme. Damit können Textilien aus natürlichen,

regenerierten und synthetischen Fasern in

Sekundenbruchteilen von abstehenden Härchen und

anderem Überstand befreit werden.

KEINE ANLAGE GLEICHT DER ANDEREN

In der Regel wird dem Sengen ein Reinigungsschritt vorgeschaltet,

abschließend folgt ein weiterer Bearbeitungsvorgang,

um Aschereste und Verschmutzungen zu entfernen.

Auch andere Veredelungsschritte wie das Entschlichten,

das Imprägnieren oder das Kaltbleichen lassen

sich mit dem Sengen ideal verbinden.

„Weil es neben dem Sengen viele mögliche Vorbehandlungsprozesse

gibt, finden sich kaum zwei Anlagen, die

einander völlig gleichen“, erläutert Dipl.-Ing. Heiko Wilke.

Der Entwicklungsleiter von Osthoff-Senge betont: „Entsprechend

groß ist die Bandbreite der Anforderungen, die

wir an die Anlagensteuerung stellen müssen. In der Vergangenheit

konnten wir dieses Spektrum aus Kosten- beziehungsweise

Performance-Gründen nur mit mehreren

Steuerungsplattformen abdecken. Dies zog einen finanziellen

und zeitlichen Mehraufwand in puncto Engineering

und Wartung der Hard- und Software nach sich.“

Als es darum ging, eine neue Steuerungsplattform zu

entwickeln, lautete daher das erklärte Ziel, die verschiedenen

Anlagen in nur einer Steuerungsplattform abzubilden

und so Zeit und Kosten zu sparen.

UNIVERSELLES STEUERUNGSPROGRAMM

„Konkret heißt das, dass wir nur noch ein Steuerungsprogramm

und eine Visualisierungs- beziehungsweise

Maschinenbedienung realisieren wollten, Diese sollte

sich dann jeweils über eine Konfiguration an die bisher

ausgelieferten und zukünftigen Anlagen anpassen lassen“,

verdeutlicht Heiko Wilke. „Es lag nahe, Lenze in

die engere Wahl zu nehmen, denn wir haben bereits seit

Langem gute Erfahrungen mit der Antriebstechnik sowie

dem Service von Lenze gemacht. Außerdem bietet das

Unternehmen inzwischen auch komplette Automatisierungssysteme

an.“

In einer internen Evaluierung bei Osthoff-Senge konnte

sich Lenze gegen etwa zehn andere Anbieter durchsetzen.

Die externe Überprüfung durch einen renommierten

Engineering-Dienstleister, der die Technik einschließlich

der Preise detailliert untersuchte, kam zum

gleichen Ergebnis.

SCHNITTSTELLEN SORGEN FÜR FLEXIBILITÄT

Als Hardwareplattform für sein Anlagenkontroll- und

Überwachungssystem ‚Seng-Matic‘, das alle den Sengeffekt

beeinflussenden Parameter automatisch einstellt,

überwacht und regelt, nutzt Osthoff-Senge seitdem Geräte

aus der Embedded-Line-PC-Familie von Lenze. Auf

dem Gerät läuft eine Soft-PLC L-force Logic, die mit der

Engineering-Umgebung PLC Designer programmiert

wird. „Da der PLC Designer auf CoDeSys basiert und damit

praktisch keine Speicherbegrenzungen kennt, konnten

wir jedes denkbare Anlagenfeature in das universelle

Steuerungsprogramm aufnehmen. Auf die individuelle

Anlage werden dann nur jene Teile gespielt, die auch

tatsächlich gebraucht werden“, erklärt der Entwicklungschef

von Osthoff-Senge. „Obendrein müssen wir bei Lenze,

anders als bei vielen anderen Anbietern, nicht gleich

auf ein teureres Gerät mit mehr Rechenleistung oder eine

ganz andere Plattform umsteigen, nur weil eine Anwendung

mehr Speicher benötigt.“

Positiv beurteilt Wilke auch die Offenheit des Systems:

„CoDeSys verfügt über Schnittstellen, die wir genutzt

haben, um eigene Funktionen zu realisieren und auch

um manuell aufwendig zu erstellende Codes automatisiert

aus Excel-Listen zu generieren.“

VISUALISIERUNG FÜR INTUITIVE BEDIENUNG

Die hohe Flexibilität schätzt der Entwicklungsleiter auch

an VisiWinNET, dem Visualisierungssystem von Lenze:

„Die Entwicklungsumgebung ist vollständig in das Microsoft

Visual Studio integriert. Darum kann man Visualisierungs-

und Bedienanwendungen so umsetzen, dass

keine Wünsche offen bleiben.“ So hat Lenze nach den Vor-

10

atp edition

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gaben des Wuppertaler Maschinen- und Anlagenbauers

eine intuitiv bedienbare Oberfläche geschaffen. Sie erlaubt

es dem Bediener der Maschine, mittels Mausklick auf einer

bildlichen Darstellung der Gesamtanlage Unterfenster aufzurufen,

die den ausgewählten Anlagenteil im Detail anzeigen

und von dort aus seine Bedienung ermöglichen.

Die Ansteuerung der durchschnittlich fünf bis maximal

zehn Achsen der Anlagen übernehmen Umrichter

aus den Gerätefamilien 8200 vector und 9300 vector von

Lenze, die aus Kostengründen nicht über einen Bus, sondern

über digitale Ein- und Ausgänge mit der Steuerung

verbunden sind. Als I/O-System nutzt Osthoff-Senge das

modulare IP20-System von Lenze und verfügt damit über

ein durchgängiges Automatisierungssystem vom Umrichter

bis zur Visualisierung.

BLICK IN DIE ZUKUNFT

„Aufgrund der guten Erfahrungen mit der Antriebstechnik

hatten wir Lenze einen Vertrauensvorschuss eingeräumt,

als es um die Modernisierung unseres Anlagenkontroll-

und Überwachungssystems ‚Seng-Matic‘ ging“,

fasst Heiko Wilke zusammen. „Dieses Vertrauen wurde

nicht enttäuscht. Es hat sich gezeigt, dass wir uns wie

gewohnt auf den Support und die Technik des Unternehmens

verlassen können. Deshalb wollen wir auch zukünftig

auf Lenze bauen.“ Als weitere Schritte plant das Unternehmen

die Ablösung des bis dato verwendeten I/O-

Systems IP20-Modular durch das moderne I/O-System

1000 von Lenze.

Auch auf der Antriebsseite steigt Osthoff-Senge auf

aktuelle Varianten um: Die Umrichter 8200 beziehungsweise

9300 vector werden dann durch Geräte aus der

Umrichterfamilie Inverter Drives 8400 ersetzt. „Die bei

diesen Geräten schon in der Grundausstattung integrierte

CAN-Schnittstelle wird es uns ermöglichen, trotz des

in unserer Branche herrschenden hohen Kostendrucks

auf Bustechnik zur Einbindung der Umrichter umsteigen

zu können“, blickt der Entwicklungsleiter von Osthoff-

Senge in die nähere Zukunft.

Exakte Steuerung erforderlich: Eine Textilveredelungslinie

mit Seng-Station von Osthoff-Senge.

Bild 2:

„Wireless Control“

mit „Wired Energy“

Intuitiv BEdienbar: Die gelungene Visualisierung basiert auf

der flexiblen Umgebung VisiWinNET.

Autor

Bernd Wieners,

ist Key Account Manager

Automation bei Lenze.

Lenze SE,

Hans-Lenze-Str. 1,

D-31855 Aerzen

oBErflächenveredelung per Flamme: Beim Sengen werden

feinste Härchen und Fäden von der Oberfläche des Stoffes entfernt.

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anche

Berührungslose Füllstandskontrolle optimiert das

Downstream Processing der Antigenherstellung

Impfstoffhersteller nutzt Ultraschallsensoren, um exakt zu bestimmen, wann Behälter geleert sind

Die Impfstoffproduktion von GlaxoSmithKline Biologicals

in Dresden wird durch berührungslos arbeitende

Ultraschall-Füllstandsensoren optimiert. Die Messeinrichtungen

erhöhen die Anlagensicherheit und verringern

Produktverluste.

Die berührungslose Füllstandüberwachung von Flüssigkeiten

spielt in vielen Bereichen der Prozessmesstechnik

und Automatisierung eine wichtige Rolle. Ultraschall-Füllstandsensoren

finden unter anderem Anwendung

bei hohen Drücken, aggressiven Medien oder speziellen

Reinheitsanforderungen. Letztere sind in der

pharmazeutischen und biotechnologischen Produktion

besonders hoch und bestimmend für die Auswahl der

Prozess- und Messtechnik. So entschied sich auch GlaxoSmithKline

Biologicals in Dresden (GSK), eine Tochtergesellschaft

von GSK Deutschland, für Ultraschallsensoren

zur präzisen Anzeige der Behälterentleerung

im Downstream Processing von Impfstoffen.

GSK stellt in Dresden Grippeimpfstoffe für den Weltmarkt

her. Das Unternehmen entwickelte und produzierte

beispielsweise auch den Impfstoff gegen die pan-

demische H1N1-Grippe frühzeitig am ostdeutschen

Standort. Die Produktionskapazität der GSK-Tochter

liegt bei 70 Millionen Impfdosen pro Jahr. Neben der

saisonalen Produktion komplettiert die Abfüllung und

Verpackung weiterer Flüssigimpfstoffe das Portfolio

des Dresdner Werks.

DIE WIRKSTOFFHERSTELLUNG

Das Ausgangsmaterial für die Herstellung des Grippeimpfstoffs

sind bebrütete Hühnereier. Aus Referenzvirenstämmen,

die von einem Labor der Weltgesundheitsorganisation

(WHO) bereitgestellt werden, präparieren die

Dresdener Experten lebende Krankheitserreger, sogenannte

Saatviren. Diese werden in die befruchteten Eier

gespritzt, die dann unter Wärmezufuhr mehrere Wochen

bebrütet werden. Das Impfvirus vermehrt sich in dieser

Zeit und reichert sich im Eiklar an. Nach Abziehen des

virushaltigen Eiweißes durchläuft dieses einen Reinigungsprozess.

Anschließend folgen die Separierung der

Viren und ihre Inaktivierung mit Hilfe von Chemikalien.

Die so entstandenen monovalenten Spaltviruslösungen

BERÜHRUNGSLOSE MESSUNG durch die Rohrwand: Der Ultraschallgrenzschalter

Sonocontrol 15 detektiert, ob eine Rohrleitung mit Flüssigkeit

oder Flüssiggas gefüllt ist oder nicht. Bild: Sonotec

DOWNSTREAM PROCESSING: Die Produkte jedes

einzelnen Reinigungs- und Separierungsschrittes werden

in Behältern gesammelt. Bild: GlaxoSmithKline Biologicals

12

atp edition

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| PC12-37bG |

Die Kompaktwunder

für den Schaltschrank.

enthalten nur noch die Bruchstücke der Virenhülle. Im

fertigen Impfstoff trainieren sie das menschliche Immunsystem

auf den jeweiligen Erreger, der dann keine Infektion

mehr hervorrufen kann.

Ein saisonaler Grippeimpfstoff besteht aus drei verschiedenen

Virusstämmen, die in einem definierten Verhältnis

gemischt werden. Die sich jährlich ändernde Zusammensetzung

gibt die WHO vor. Der fertige Wirkstoff

wird in Spritzen abgefüllt, länderspezifisch etikettiert

und verpackt. Bis dahin sind vom Eingang der Referenzstämme

im Dresdner Werk bis zur Auslieferung des fertigen

Grippeimpfstoffs rund sechs Monate vergangen.

KONTROLLE IM DOWNSTREAM PROCESSING

Die Biotechnologie bezeichnet den Reinigungs- und Separierungsprozess,

den das virushaltige Eiklar durchläuft,

als Downstream Processing. Die Produkte jedes

einzelnen Prozessschrittes werden in Behältern gesammelt.

Die Füllstände dieser Gefäße misst GSK mit

Schwimmer-Füllstandsonden. Diese sind typbedingt jedoch

nicht in der Lage, die Behälterentleerung anzuzei-

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C6920: Intel ® Core Duo oder Core2 Duo

C6930: Intel ® Core Duo oder Core2 Duo,

On-Board-SATA-RAID-1-Controller

FüllstandskONTROLLE: Der Ultraschallsensor

zeigt die Behälterentleerung präzise an.

Bild: GlaxoSmithKline Biologicals

IPC

I/O

Motion

Automation

anche

gen. Für diesen Zweck benötigte GSK eine alternative

Messtechnik. 2007 begaben sich die Experten auf die

Suche nach einem passenden Füllstandmesser. „Im Rahmen

einer Internetrecherche stießen wir auf Sonotec.

Gleich bei unserem ersten gemeinsamen Termin fanden

die Ultraschallexperten eine geeignete Lösung für unsere

spezielle Anwendung“, erinnert sich Jörg Bellen, Support

Manager DSP 02 bei GSK in Dresden.

TEST IM PRODUKTIONSALLTAG

Die Spezialisten von Sonotec analysierten gemeinsam

mit Bellen und seinem Team die Messaufgabe. „Nach

Berücksichtigung aller anwendungsspezifischen Besonderheiten,

wie der Beschaffenheit der Tanks und der

Eigenschaften der Flüssigkeiten, fiel die Wahl auf unseren

Ultraschallgrenzschalter Sonocontrol 15“, erläutert

Diplom-Physiker Ingo Eckardt, zuständig für den Vertrieb

Prozessmesstechnik und Automatisierung bei

Sonotec. Jörg Bellen und sein Team konnte den Sensor

ausleihen und im Produktionsalltag testen. Das Ergebnis:

Sonocontrol 15 war der ideale Ultraschallsensor für die

berührungslose Füllstandkontrolle im Downstream

Processing der Antigenherstellung. Inzwischen setzt

GSK die Ultraschallgrenzschalter von Sonotec seit vier

Jahren erfolgreich zur Kontrolle der Behälterrestentleerung

ein. „Die guten Erfahrungen aus den ersten Tests

haben sich auch in der täglichen Praxis bestätigt. Die

Sensoren sind robust. Sie arbeiten absolut zuverlässig

und fehlerfrei“, sagt Jörg Bellen.

EINSATZ IN PHARMAZIE UND FEINCHEMIE

Der Ultraschallgrenzschalter Sonocontrol 15 detektiert

schnell und genau, ob eine Rohrleitung mit Flüssigkeit

oder Flüssiggas gefüllt ist oder nicht. Der Kompaktsensor

zur berührungslosen Messung durch die Rohrwand wird

vor allem in Anlagen der Pharmazie oder Feinchemie

eingesetzt. Wie auch bei GSK dient der Sensor in der

Pharmabranche häufig als Schalter zur Voll-/Leermeldung

an Rohrleitungen mit kleinen Nennweiten. „Der

Sensor ist außen am Rohr befestigt und unterscheidet

nach erfolgreichem Einlernen an dieser Position zwischen

Flüssigkeit und Gas/Luft“, erläutert Ingo Eckardt.

Besonders klar sind die Bedingungen dabei am senkrechten

Rohr. Am waagerechten Rohr kann sogar mit der

Wahl der Montageposition die Detektion verschiedener

Füllgrade von den ersten Gasblasen bis hin zu halb leer

realisiert werden. Das Sonocontrol 15 eignet sich zudem

für den Pumpenschutz, zur Überwachung von Abfüllanlagen

oder – wie bei GSK – der Kontrolle der Behälterrestentleerung.

Die Haupt-Einsatzgebiete sind

wässrige Produkte und Reinigungsflüssigkeiten

in der pharmazeutischen Industrie, Feinchemie

und Lebensmittelindustrie

aggressive und giftige Flüssigkeiten in der

chemischen Industrie

hochtoxische Spezialflüssigkeiten etwa in der

Halbleiterherstellung

Der Sensor zeichnet sich durch kurze Reaktions- und

Schaltzeiten aus. Die Gesamtkosten der Messstelle sind

niedrig, da keine Prozessanschlüsse erforderlich sind.

Darüber hinaus bietet Sonotec den Sensor optional auch

in einer Version für den Einsatz in explosionsgefährdeten

Bereichen an und realisiert zusätzlich zu den Standardprodukten

kundenspezifische Lösungen.

MONTAGE BEI LAUFENDEM BETRIEB

Der nachträgliche Einbau des Sensors bei GSK war nur

mit einem geringen Aufwand verbunden. „Die Sensoren

werden von außen am Rohr befestigt. Die vereinfachte

Montage des Zwei-Leiter-Systems kann sogar bei laufendem

Anlagenbetrieb erfolgen“, erklärt Ingo Eckardt. Da

weder der Ultraschall-Füllstandsensor noch die angeschlossene

Messtechnik mit dem Produkt in Berührung

kommen, konnten die GSK-Techniker den Messschalter

problemlos einem internen Change Control Prozess folgend

einbauen. Damit blieb die bestehende Reinigungsvalidierung

von der Nachrüstung unbeeinflusst. Auch

eine nachträgliche Versetzung des Ultraschallgrenzschalters

ist durch eine neue Rohrbefestigung aus Kunststoff

schnell und einfach möglich.

ENTLEERUNG WIRD EXAKT DETEKTIERT

Die zusätzliche Installation des Sonocontrol 15 in der

Behälterentleerung gestattet es GSK nun, den exakten

Zeitpunkt der vollständigen Entleerung zu detektieren.

„Die Kenntnis dieses Zeitpunkts ist für die nachfolgenden

Prozessschritte absolut entscheidend und wurde daher

in unserem Fall visualisiert“, erklärt Bellen. Besonders

zufrieden ist er darüber, dass mithilfe des neuen Sensors

die Anlagensicherheit erhöht und die Produktverluste

deutlich verringert werden konnten.

Autor

Dipl.-Kfr. MELANIE SCHMIDT

ist im Marketing von

Sonotec tätig.

Sonotec Ultraschallsensorik Halle GmbH,

Nauendorfer Straße 2,

D-06112 Halle (Saale),

Tel. +49 (0) 345 133 17 29,

E-Mail: m.schmidt@sonotec.de

14

atp edition

9 / 2011

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ich mit Wirkung für die Zukunft jederzeit widerrufen.

anche

Webbasierte Fernüberwachung visualisiert

die Solarpark-Daten flexibel und transparent

Kontrollsystem stellt alle relevanten Informationen des Sonnenkraftwerks dar

Der Solarpark Zerre entstand in der Nähe von Cottbus

auf dem Gelände eines alten Kohlekraftwerks. Ende

letzten Jahres ging das letzte Teilfeld ans Netz, damit

ist die Maximalleistung der Anlage von 8 MWp erreicht

(Megawatt peak – Maßeinheit für die maximale Leistung).

Damit Betreiber und Investoren sicher sein können,

dass aus dem einfallenden Sonnenlicht stets das

Optimum an Energie herausgeholt wird, war eine webbasierte

Fernüberwachung gefragt, die jederzeit Einblick

in die Anlage gibt.

Federführend bei Planung und Bau des Solarparks

Zerre auf dem ehemaligen Kraftwerksgelände Trattendorf

war die German Solar AG. Der Solarpark wurde

innerhalb von acht Monaten auf einem 20 ha großen

Areal errichtet und besteht aus acht Teilparks, die jeweils

etwa 1 MWp liefern können. Auf einer bewährten

Holzständerkonstruktion aus märkischer Kiefer sind

in zwei Reihen insgesamt 40000 Solarmodule montiert.

564 Wechselrichter wandeln den erzeugten Gleichstrom

vor der Netzeinspeisung in Wechselstrom.

LÄUFT DIE ANLAGE OPTIMAL?

Die Energiemenge, die mit einer Solaranlage gewonnen

werden kann, ist nicht konstant. Verschiedene Faktoren

wie Sonnenstand, Bewölkungsgrad oder die Temperatur

der Solarmodule haben Einfluss auf die Energieausbeute.

Herauszufinden, ob eine Anlage unter den jeweils gegebenen

Umgebungsbedingungen gerade tatsächlich nicht

mehr Energie gewinnen kann oder ob ein Problem vorliegt,

ist daher nicht trivial.

Zur Funktionsüberwachung der Anlage setzt man

üblicherweise an den Wechselrichtern an. Durch Auslesen

aller Wechselrichter-Werte wie Gleich- und Wechselstrom

sowie Gleich- und Wechselspannung lässt sich

jeweils die aktuelle Leistung ermitteln. Im Solarpark

Zerre werden zudem Sonnen-Einstrahlung sowie Modul-

und Umgebungstemperaturen überwacht. Mit diesen

Werten kann man jederzeit darauf schließen, ob die

Anlage optimal läuft. Ist dies nicht der Fall, lässt sich

zudem ermitteln, wo genau im jeweiligen Teilpark ein

Problem vorliegt.

DATENSERVER PER UMTS ANGEBUNDEN

Bei der Prozessüberwachung und -visualisierung setzt

German Solar auf Lösungen der Webfactory GmbH aus

Buchen. Die Spezialisten für webbasiertes Bedienen, Visualisieren

und Informationsmanagement lieferten die

notwendige Hard- und Software für das Überwachen des

Solarparks. Pro Teilanlage ist eine SPS im Einsatz, die

die Sensorik zum Messen der Sonneneinstrahlung und

der Temperaturen verwaltet und die Daten an den Datalogger

der jeweiligen Teilanlage übergibt. Der eingesetzte

Datalogger, ein lüfterloser Industrie-PC für den Schaltschrankeinbau,

sammelt zudem die Daten der Wechselrichter.

Die zu überwachenden Wechselrichter werden

per RS485-Bus miteinander verbunden. Ein Umsetzer

wandelt die RS485-Daten für den Datenlogger ins Ethernet-Protokoll.

So lassen sich beliebig viele Wechselrich-

KOMPLEXE ÜBERWACHUNGSAUFGABE:

40 000 Solarmodule erzeugen Strom aus Sonnenlicht,

564 Wechselrichter wandeln die erzeugte Gleich spannung

in Wechselspannung. Bild: German Solar

ALLES UNTER KONTROLLE: Durch Auslesen aller

Wechselrichter-Werte wie Gleich- und Wechselstrom

sowie Gleich- und Wechselspannung lässt sich jeweils

die aktuelle Leistung ermitteln. Die Funktionsüberwachung

erfolgt webbasiert. Bild: Webfactory

16

atp edition

9 / 2011

ter an den Datalogger anschließen. Dieser eignet sich als

reiner Datensammler, kann aber auch gleich vor Ort Daten

auswerten.

Generell kann der Datalogger Informationen mit allen

gängigen SPS-Steuerungen über native Treiber oder

über eine OPC-Schnittstelle austauschen. Die Prozessdaten

werden in einer SQL-Datenbank gespeichert und

anschließend dem übergeordneten System zur weiteren

Verarbeitung zur Verfügung gestellt. Im Solarpark Zerre

wird die Datenübertragung zum zentralen Datenserver

per UMTS erledigt. Wo die nötigen Kabel vorhanden

sind, ist selbstverständlich auch eine leitungsgebundene

Übertragung möglich. Zusammen mit der Software

Webfactory 2010 Embedded lassen sich bei Bedarf Prozessdaten

aber auch vor Ort im Datalogger auswerten

und visualisieren. Störmeldungen werden direkt aus

dem Solarpark per E-Mail an den zuständigen Mitarbeiter

verschickt.

FÜR JEDEN DIE RICHTIGE INFORMATION

Die übersichtliche Darstellung der gesammelten Daten in

Form von KPI-Cockpits (Key Performance Indicator) übernimmt

das webbasierte Energie-Management-System

(EMS) von Webfactory. Dipl.-Ing. (FH) Harald Kallauke,

Projektmanager bei German Solar, erklärt dazu: „Uns war

wichtig, eine Software zu haben, mit der sich flexibel und

transparent alle relevanten Komponenten und Informationen

im Solarpark darstellen lassen.“ Während Investoren

im Wesentlichen interessiert, welche Erträge die Anlage

bringt, benötigt der Anlagenbetreiber oder der Instandhalter

detailliertere Informationen. So galt es im

Solarpark Zerre, über 20 verschiedene Sichten auf den

Prozess zur Verfügung zu stellen. „Hier bringt das eingesetzte

System klare Vorteile“, betont Kallauke. „Wer die

nötigen Berechtigungen hat, kann nach Einloggen in einem

Konfigurator einfach mit ein paar Mausklicks eine

bestimmte Sicht zusammenstellen. Meldet sich der jeweilige

Benutzer dieser Sicht dann an, wird er nicht mit allen

Informationen der Anlage überfrachtet, sondern erhält

eine übersichtliche Darstellung der für ihn relevanten

Daten.“ Wer an detaillierteren Informationen interessiert

ist, der kann via Internet sogar auf die Daten der Wechselrichter

zugreifen.

ROLLENBASIERTE BENUTZERZUGRIFFSSTEUERUNG

Generell ist das EMS ein Data Warehouse, es sammelt

Prozessinformationen von verschiedenen Anlagenteilen

an zentraler Stelle. Es stellt alle Prozessdaten, also beispielsweise

den Energieverbrauch oder die erzeugte Energie

einer Anlage, transparent dar. Denn erst so werden

Einspar- beziehungsweise Optimierungspotenziale sichtbar.

Die rollenbasierte Benutzerzugriffssteuerung ermöglicht

das unkomplizierte Erstellen verschiedener Sichten

mit unterschiedlichen Zugriffsrechten. Im Problemfall

kann der Anlagenbetreiber direkt per SMS, E-Mail oder

Sprachnachricht informiert werden. So ist eine schnelle

Reaktion möglich und Anlagenstillstände lassen sich

deutlich verkürzen.

Dank standardisierter Kommunikationsschnittstellen

kann das System im Gegensatz zu proprietären Fernüberwachungslösungen

Messdaten von unterschiedlichsten

Anlagensteuerungen auf einem Internetportal zusammenführen

und dort Prozessdaten in Echtzeit anzeigen.

Weil die Lösung webbasiert ist, wird zum Anzeigen der

Informationen keine zusätzliche Soft- und Hardware

benötigt, ein gängiger Webbrowser reicht aus.

Dank vollständig vektorbasierter Grafiken auf Basis

von Microsoft Silverlight, lässt sich die Visualisierung

verlustfrei an jede Bildschirmgröße anpassen. Mit dem

Report Designer können individuelle Berichte für die

detaillierte Auswertung aller Prozessdaten erstellt werden.

Eine flexible Struktur erlaubt nachträglich die

einfache Integration neuer Anlagen oder Anlagenteile.

Typische Einsatzgebiete finden sich nicht nur in Photovoltaikanlagen,

sondern auch beim Fernüberwachen

von Wasser- oder Windkraftwerken, Blockheizkraft-,

Geothermie- und Biogasanlagen sowie im Gebäude-

Management, der Produktion sowie im Einzelhandel

und in der Logistik.

Viele Anwender überzeugt nicht nur die Flexibilität

der webbasierten Software, sondern auch, dass sie mit

den Dataloggern und dem Energie-Management-System

die notwendige Hard- und Software zur webbasierten

Visualisierung einer Anlage aus einer Hand beziehen

können. Kallauke resümiert: „Wir haben uns nach eigenen

Recherchen und Empfehlungen von Partnern für

dieses Energie-Management-System entschieden, letzten

Endes auch deshalb, weil wir uns damit eine höhere

Effizienz bei Wartung und Service versprechen.

Gleichzeitig hat uns aber auch die gute Zusammenarbeit,

die Fachkompetenz des Projektverantwortlichen

sowie die Flexibilität, mit der auf Probleme reagiert

wurde, überzeugt.“

Autor

Dipl.-Ing. (FH) STEFAN

HAUCK ist Software Project

Manager bei der Webfactory

GmbH.

Webfactory GmbH,

Hollergasse 15, D-74722 Buchen,

Tel. +49 (0) 6281 523 33 60,

E-Mail: shauck@webfactory-world.de,

Internet: www.webfactory-world.de

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17

anche

Komplexe Smart Grids effizient mit

Standard-Steuerungen automatisieren

Kostengünstige Lösung: Ein einziges System übernimmt die Automation einer Fernwirkstation

Für ein optimales Lastmanagement werden in Versorgungsnetzen

klassische Komponenten, wie Zähler und

Leistungsschalter, um neue Komponenten ergänzt. Das

wiederum erhöht die Anzahl der erforderlichen Datenpunkte.

Inzwischen übernehmen programmierbare Steuerungen

neben Automatisierungs- auch Fernwirkaufgaben

und kommunizieren über internationale Fernwirkprotokolle

gemäß IEC 60870 oder IEC 61850 mit der Leitstelle.

Diese modularen „Standard“-Steuerungen mit IEC-Kommunikation

bieten ein gutes Preisleistungsverhältnis und

vereinfachen die Automation von Infrastrukturnetzen.

Die Ursachen für neue Komponenten in Versorgungsnetzen

sind vielfältig. Einerseits fordert die Regulierungsbehörde

die Trennung der Energieerzeugung und

des Netzbetriebs. Anderseits führen dezentrale Energieeinspeisungen

durch Windkraft- und Photovoltaik-Anlagen,

Blockheizkraftwerken und Kraft-Wärme-Kopplungen

zu neuen Anforderungen hinsichtlich der Netzführung,

der Abrechnung und dem Lastmanagement.

Bislang automatisierten SPS-Steuerungen lediglich die

dezentralen Einheiten, jetzt sollen sie auch den Anlagenzustand

an die Leittechnik übermitteln und in Kontrollrichtung

Schaltbefehle umsetzen. Für diese Fernwirkaufgaben

stehen Kommunikationsprotokolle wie Modbus und

DNP3 sowie nach IEC 60870 und IEC 61850 mit ihren Subnormen

zur Verfügung. Diese Protokolle unterscheiden sich

sowohl technisch als auch in ihrer globalen Verbreitung.

Für die Schutz- und Leittechnik in elektrischen

Schaltanlagen der Mittel- und Hochspannungstechnik

ist im Jahr 2004 die Norm IEC 61850 als globaler Stan-

dard veröffentlicht worden. Bei dieser Kommunikation

sind die Funktionseinheiten über einen objektorientierten

Ansatz modelliert; im Gegensatz zu den anderen

Kommunikationsprotokollen, die signalorientiert arbeiten.

Das hat zur Folge, dass für neue Aufgabenbereiche

spezifische Erweiterungen geschaffen werden müssen.

Drei solcher Erweiterungen zur Überwachung und

Steuerung sind zurzeit definiert: IEC 61400-25 bei

Windenergieanlagen, IEC 61850-7-410 bei Wasserkraftwerke

und IEC 61850-7-420 bei einer verteilten Energieerzeugung

(Distributed Energy Resources) wie sie beispielsweise

durch Photovoltaikanlagen entsteht.

FERNWIRKPROTOKOLLE INTEGRIERT

Um dem Anwender zur Kommunikation mit der Leitstelle

eine normierte und einfach anwendbare Schnittstelle

zu bieten, hat Wago die Fernwirkprotokolle IEC 60870-

5-101/-104 und IEC 61850 in modulare Steuerungen des

Wago-I/O-Systems integriert. Diese Protokolle sind im

Falle der IEC 60870-5-101/-104 signalorientiert, das bedeutet:

Zwischen der Leittechnik und der modularen

Steuerung werden Meldungen, Messwerte, Bitmuster,

Zählwerte und (Stell-) Befehle jeweils mit und ohne Zeitstempel

ausgetauscht. Überträgt man diesen Ansatz auf

die IEC 61850, so entspräche er dem generischen Objekttyp

GGIO, als Basisobjekt.

Ein wesentlicher Mehrwert dieses Standards ist jedoch

das Vorhandensein von typisierten Objekten, beispielsweise

wenn ein Netztransformator, ein Rotor einer

Windkraftanlage oder eine Photovoltaikanlage automa-

In den modularen Steuerungen ist für beide Normen

(IEC 60870 und 61850) ein Konfigurationswerkzeug in CoDeSys

integriert. Damit wird die IEC-Kommunikation nur noch

parametriert und muss nicht mehr programmiert werden.

Über die CoDeSys-Programmierung wird der

entsprechende IEC-Konfigurator aufgerufen.

20

atp edition

9 / 2011

Sicher ist sicher

tisiert werden soll. Betrachtet man also auch alle Erweiterungen

zum IEC-61850-Standard, so kommen zu dem

generischen Objekttyp GGIO etwa 220 weitere spezifische

Objekttypen hinzu. Da der Hersteller von Steuerungen

nicht weiß, welche IEC-Objekttypen der Anwender

verwenden wird, müsste die Automatisierungslösung

alle spezifischen Objekte bedienen können, beispielsweise

ein YPTR-Objekt zur Integration von

Transformatoren. Die Wago-Lösung stellt dem Anwender

die normierte Schnittstelle zur Leittechnik zur Verfügung,

jedoch nicht die interne Logik der Objekttypen.

Schließlich ist es der Anwender, der das Know-how über

seine Applikation hat und die Logik implementiert.

Die Programmierung der Automatisierungsaufgabe

erfolgt mit CoDeSys (Code Development System) und

wird im programmierbaren Fernwirkcontroller oder

Kompakt-Industrie-PC (I/O-IPC) abgelegt. CoDeSys ist

ein offenes Programmiersystem nach dem internationalen

Standard IEC 61131-3 und stellt dem Anwender

5 Programmiersprachen zur Verfügung. Damit der

Anwender den Fernwirkcontroller (750-872) und die

I/O-IPCs (758-870 und 758-875) so einfach wie möglich

für die Kommunikation mit einer Leittechnik vorbereiten

kann, ist in CoDeSys ein Konfigurationswerkzeug

für beide Normen integriert (IEC 60870 und

61850). Mit diesem Werkzeug wird die IEC-Kommunikation

nur noch parametriert – sie muss nicht mehr

programmiert werden.

SKALIERBARE STEUERUNGEN

Modulare Steuerungen bringen zahlreiche Systemeigenschaften

mit, die auch in Smart-Grid-Projekten Vorteile

bieten. Der Anwender wählt die Steuerung zunächst hinsichtlich

seiner Leistungsanforderungen und Kommunikationsschnittstellen

aus. Dabei kann die Leistungsfähigkeit

der CPU von wenigen MHz für Überwachungsaufgaben

bis zur Pentium-Klasse im GHz-Bereich für komplexe

Regelungsaufgaben reichen.

Zur Kommunikation stehen Schnittstellen für Profibus,

Modbus oder auch KNX bereit, sodass die Steuerungen

auch als Gateways zwischen Fernwirktechnik und

Industrie- oder Gebäudeautomation eingesetzt werden

können. Je nach Einsatzort müssen auch die mechanischen

und klimatischen Anforderungen an das System

betrachtet werden. Die Federklemmtechnik ist eine vibrationssichere

und wartungsfreie Anschlusstechnik und

wird in allen Wago-Produkten eingesetzt. Viele Automatisierungskomponenten

sind für einen erweiterten Temperaturbereich

von -20 bis +60 °C erhältlich.

Zahlreiche Schiffszertifizierungen wie Germanischer

Lloyd (GL) bestätigen die Eignung in schwierigen Umgebungen,

wie sie im Schiff sowie im On- und Offshore-

Bereich vorherrschen. Den modularen Steuerungen

steht eine große Auswahl an I/O-Busklemmen zur Verfügung.

Sie reicht von hoch verdichteten 16-Kanal-Digitalklemmen,

die Platz im Schaltschrank einsparen,

über Spezialklemmen, wie die 3-Phasen-Leistungs-

Mit den in der EXIDA-Datenbank gelisteten

Stellventilen Typ 3241 von

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Eine im Web-Server der Steuerung

speicherbare Visualisierung bietet vielfältige

Diagnosefunktionen.

Fernwirkcontroller 750-872 sowie die I/O-IPCs

758-870 und 758-875 unterstützen die IEC-Kommunikation

nach IEC 60870-5-101/-104 und IEC 61850.

messklemme zur energetischen Überwachung von

Transformatorstationen, bis hin zu eigensicheren Klemmen.

Durch die Programmierbarkeit des Automatisierungssystems

lassen sich auch Visualisierungen mit

CoDeSys erstellen, die direkt in den Web-Server der

Steuerung geladen werden.

PLATZBEDARF UND KOSTEN SINKEN

Dadurch bekommt der Endkunde eine komfortable

Diagnoseplattform für seine Lösung, auf die er mit jedem

Browser zugreifen kann. Der Fernwirkcontroller

und die I/O-IPCs unterstützen neben der klassischen

Automatisierungsaufgabe auch die international standardisierten

Fernwirkprotokolle nach IEC 60870-5-

101/-104 und IEC 61850. Durch das CoDeSys-Konfigurationswerkzeug

kann sich der Applikationsingenieur

voll auf die optimale Entwicklung seiner Automatisierungslösung

in einer gewohnten SPS-Entwicklungsumgebung

konzentrieren.

Die Anbindung an Smart Grids ist mit den Fernwirkprotokollen

bereits integriert. Da ein einziges System

die Automation einer Fernwirkstation übernimmt, reduzieren

sich der Platzbedarf, die Komplexität und die

Kosten pro Station.

Literatur

Autor

IEC61850 Part 7-4 Basic communication structure for

substation and feeder equipment – Compatible logical

node classes and data classes

IEC61850 Part 7-410 Communication networks and

systems for power utility automation – Hydroelectric

power plants – Communication for monitoring and

control

IEC61850 Part 7-420 Communication networks and

systems for power utility automation – Basic communication

structure – Distributed energy resources logical

notes

IEC61400 Part 25 Wind turbines – Communications for

monitoring and control of wind power plants

Dipl.-Inf. Martin Paulick

ist Produktmanager bei

Wago Kontakttechnik

GmbH & Co. KG.

Wago Kontakttechnik GmbH & Co. kg,

Hansastr. 27, D-32423 Minden,

Tel. +49 (0) 571 887 90 11,

E-Mail: martin.paulick@wago.com

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9 / 2011

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hauptbeitrag

Fortschritt bei Simulation

von Montagemaschinen

Automatisierte Erstellung von Verhaltensmodellen

Dieser Beitrag befasst sich mit Verhaltensmodellen für die Hardware-in-the-Loop-Simulation

von Montagemaschinen. Für Komponenten, die über boolesche Variable mit der

Steuerung kommunizieren, werden Verhaltensmodelle automatisiert erstellt. Grundlage

der Modellerstellung ist die Definition von Basisfunktionen und die Extraktion von Wirkketten

aus dem Stromlaufplan. Die Umsetzung zeigt, dass sich durch die Automatisierung

der Aufwand zur Erstellung der Verhaltensmodelle signifikant reduzieren lässt.

SCHLAGWÖRTER Hardware-in-the-Loop-Simulation / Montagemaschine /

Verhaltensmodelle

HiL-Simulation of Assembly Machines –

Automatically built Behaviour Models

This paper focuses on the generation of behavior models for the Hardware-in-the-Loop-

Simulation of assembly machines. Models are built automatically for components, which

communicate with the controller by boolean variables. The modeling is based on the

definition of basic functions and the extraction of connections out of the wiring diagram.

The implementation shows that the effort to model behavior models can be reduced siginificantly.

KEYWORDS Hardware-in-the-Loop-Simulation / Assembly Machine /

Behaviour Models

24

atp edition

9 / 2011

Annika Kufner, Philipp Dreiss, Robert Bosch

Peter Klemm, Universität Stuttgart

Seit einigen Jahren überschreitet die Hardwarein-the-Loop-Simulation

auch im Anlagenbau die

Schwelle von der Forschung in die Industrieanwendung.

Der Nutzen der Hardware-in-the-

Loop-Simulation wurde bereits vielfach publiziert

[1, 2]. Den Schwerpunkt bildet die virtuelle Inbetriebnahme,

welche den Engineeringprozess verkürzt. Im Zuge

der Einführung der Hardware-in-the-Loop-Simulation in

der Industrie steht nun deren effiziente Durchführung im

Vordergrund. Der Aufwand für die Erstellung von Maschinenmodellen

darf den Nutzen der Simulation nicht

übersteigen. Durch die Wiederverwendung von Maschinenmodellen

kann der Aufwand reduziert werden. Dies

ist für Montagemaschinen jedoch nur im geringen Maße

möglich, da sie den Sondermaschinen zuzurechen sind.

Ein entscheidender Lösungsweg zur Reduktion des

Aufwands stellt bei Montagemaschinen die automatisierte

Erstellung von Maschinenmodellen dar. Hierfür

sollen die Engineeringdokumente verwendet werden, die

bereits in der Konstruktion erstellt wurden.

1. Modelle zur Hardware-in-the-Loop-Simulation

Zur Simulation müssen das Maschinenmodell und das

geometrische Modell erstellt werden (Bild 1).

Das Maschinenmodell ist das Abbild der Maschine gegenüber

der Steuerung. Zur Simulation wird auf Basis des

Maschinenmodells in jedem Zyklus der Steuerung der

Maschinenzustand berechnet. Erstens beinhaltet das Maschinenmodell

die Strukturierung der Maschine in Komponenten.

Komponenten definieren sich aus einem engen

funktionalen Zusammenhang ihrer Ein- und Ausgänge.

Zweitens enthält es die Verhaltensmodelle der Komponenten.

Ein Verhaltensmodell umfasst die logischen und physikalischen

Wirkzusammenhänge einer Komponente.

Das geometrische Modell ist im Kern das 3D-CAD-Modell

der Maschine. Zur Visualisierung der Bewegungen

erhält das geometrische Modell die Positionsdaten aus

den Berechnungen des Maschinenmodells. Somit lassen

sich die Bewegungsabläufe und der Materialfluss im geometrischen

Modell verarbeiten und visualisieren. Kollisionen

und die Positionen von Werkstücken an Sensoren

können dann mithilfe des geometrischen Modells erkannt

und an das Maschinenmodell übermittelt werden.

2. Komponenten einer Montagemaschine

In diesem Beitrag wird die automatisierte Erstellung der

Verhaltensmodelle für die Komponenten einer Maschine

betrachtet, da ihre manuelle Erstellung etwa 70 % des

gesamten Aufwands zur Simulation beansprucht.

2.1 Verhaltensmodelle für unterschiedliche Komponenten

Komponenten sind aus der Sicht der Verhaltensmodellierung

für die Hardware-in-the-Loop-Simulation in zwei

Gruppen einzuteilen.

Erstens gibt es eine Vielzahl an Komponenten, deren

Ansteuerung oder deren Zustand über binäre Signale ausgetauscht

werden. Die mit der Steuerung kommunizierenden

Bauteile einer solchen Komponente sind über ein

E/A-Modul an den Feldbus angeschlossen. Ein Beispiel

hierfür ist ein Vereinzler am Förderband. Er wird durch

eine Bauteilkombination von einem Ventil, einem Zylinder

und zwei Endschaltern realisiert. Sowohl das Ventil

als auch die Endschalter sind als binärer Eingang beziehungsweise

Ausgang an das E/A-Modul angebunden.

Zweitens befinden sich in Montagemaschinen Komponenten,

deren Kommunikationsprotokoll mit der Steuerung

aus Datenpaketen in herstellerdefinierten Datenstrukturen

besteht. Diese Komponenten werden durch

abgeschlossene Baueinheiten realisiert. Beispiele für

Baueinheiten sind Messgeräte, einzelne Montageprozesse

ausführende Geräte oder Achsen inklusive ihrer Antriebssteuerungen

(Bild 1). Zur Modellierung dieser Komponenten

müssen herstellerspezifische Angaben zur

Nachimplementierung des Protokolls und eine Systemidentifikation

zur Modellierung des Verhaltens herangezogen

werden. Diese Arbeitsschritte sind nicht automa-

atp edition

9 / 2011

25

Hauptbeitrag

tisiert durchführbar. Die Verhaltensmodelle für Baueinheiten

sind demzufolge manuell zu erstellen.

Obwohl eine Montagemaschine nur eine geringe Anzahl

an Komponenten aus Baueinheiten besitzt, erfordert

deren Verhaltensmodellierung denselben Aufwand wie

die der Vielzahl an Komponenten aus Bauteilen. Ziel dieser

Arbeit ist es, die Verhaltensmodelle für Bauteile automatisiert

zu erstellen. Um den Aufwand zur Modellerstellung

jedoch umfassend zu reduzieren, ist es erforderlich,

dass die Verhaltensmodelle für Baueinheiten vom

Lieferanten der Baueinheit bereitgestellt werden [6].

2.2 Klassifizierung von Komponenten mit binären Signalen

Die Ansteuerung der Aktoren oder die Abfrage der Sensoren

einer Komponente aus Bauteilen benötigt nur wenige

binäre Signale. Daher setzen diese Komponenten einfache

Funktionen um. Hinsichtlich der Behandlung bei der Modellierung

sind die Komponenten klassifizierbar. Eine

Komponente kann entweder der Klasse „Basisfunktion“

oder der Klasse „Multifunktion“ zugeordnet werden.

Basisfunktion

Bei den untersuchten Montagemaschinen hat sich gezeigt,

dass etwa 60 % - 80 % der binären Signale Komponenten

zugeordnet werden können, die eine Basisfunktion umsetzen.

Diese führen zum Beispiel das Öffnen und Schließen

eines Greifers, eines Vereinzlers oder auch das Heben

und Absenken einer Hubplattform aus. Basisfunktionen

werden in diesem Beitrag als standardisierte, deterministische

Funktionen definiert.

Signale werden einer Basisfunktion zugerechnet, sofern

zum einen die Signalausgänge im direkten Zusammenhang

mit den Signaleingängen, zumeist in pneumatischer,

mechanischer oder elektrischer Kopplung ste-

SPS

Feldbus

Schnittstelle

Simulations-PC

Maschinenmodell

Struktur

Verhalten

E/A-Modul

Montage-

Baueinheit

maschine

(Montageprozess)

reale Welt

Komponente

Verhaltensmodell

Baueinheit

(Antrieb)

Baueinheit

(Messgerät)

Positionsdaten

Kollisions-und

Sensordaten

Geometrisches Modell

virtuelle Welt

BILD 1: Aufbau einer

Hardware-in-the-

Loop-Simulation

für eine Montagemaschine

Legende:

E Eingangssignal

A Ausgangssignal

BILD 2: Zustandsgraph

und Bibliotheksbaustein

in

VirtuosM [5] für

eine Basisfunktion

26

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hen. Die technologische Umsetzung spielt jedoch keine

Rolle. Zum anderen wird gefordert, dass die Reaktionszeit

der Ausgänge auf einen Flankenwechsel der Eingänge

nur geringsten Schwankungen unterworfen ist. Wenn

diese Bedingungen erfüllt sind, wird angenommen, dass

das Verhalten deterministisch ist.

Keine Basisfunktion besteht, wenn ein Signalausgang

mit einem Signaleingang über den Materialfluss verbunden

ist, sodass die Bewegung oder das Vorhandensein

des Werkstücks die Kopplung zwischen den Signalen

darstellt. Dann kann das Verhalten nicht mehr als deterministisch

angenommen werden.

Ein bereits erwähnter Vereinzler am Förderband wird

zum Beispiel durch eine Ventil-Zylinder-Endschalter-

Kombination realisiert, die einer Basisfunktion zuzuordnen

ist. Ein Näherungsschalter am Förderband, der die

vereinzelten Werkstücke detektiert, ist nicht mehr Teil

der Basisfunktion, da durch seine Verbindung mit der

Ansteuerung des Ventils über den Materialfluss keine

direkte Kopplung mehr besteht.

Multifunktion

Multifunktionen können unterschiedlichste, einfache

Funktionen umsetzten. Ihnen werden alle Signale zugeordnet,

die nicht den Basisfunktionen zugerechnet werden

können. Ein Steuer- und Statussignal einer Multifunktion

ist zum Beispiel ein:

Signal mit Anbindung an das geometrische Modell

Wie oben im Beispiel des Näherungsschalters beschrieben,

existieren Sensoren, die nicht den Basisfunktionen

zugeordnet werden können. Meistens

geben diese Sensoren die Position eines Werkstücks

an. Ihre Werte werden im geometrischen Modell ermittelt

und an das Maschinenmodell übergeben.

Signal der Sicherheitstechnik

Um den sicheren Betrieb der Maschine zu gewährleisten,

werden mehrere Signale abgeprüft. Bei den Ausgängen

des Maschinenmodells sind Sensoren zu modellieren,

die zum Beispiel die Verriegelung von Türen

angeben. Die Eingänge entsprechen Signalen zur

Schaltung von Lampen oder Anzeigen.

Signal als binärer Anschluss

Weitere Ein- und Ausgänge sind oftmals einzelne, binäre

Anschlüsse. Dies kann zum einen beispielsweise

der Anschluss an die zentrale Druckluftversorgung

sein. Zum anderen können Baueinheiten auch binäre

Ein- und Ausgänge besitzen. Diese zeigen zum Beispiel

die Erreichbarkeit einer Baueinheit an.

3. Automatisierte Modellerstellung

3.1 Mindestanforderung an die automatisierte Erstellung

Für eine fehlerfreie Simulation müssen die Ausgänge

des Maschinenmodells zur richtigen Zeit mit dem

richtigen Wert besetzt werden. Daher stellt eine logische

Modellierung mit Berücksichtigung des Zeitverhaltens

die Mindestanforderung dar [3]. Eine Modellierung

in einer größeren Modellierungstiefe würde

die physikalischen Wirkzusammenhänge der Komponenten

mit einbeziehen. Eine solche Modellierung

kann von der automatisierten Modellerstellung ohne

den Einsatz detaillierter Bibliotheksbausteine nicht

bewerkstelligt werden. Für einen Test des Steuerungsprogramms

und die Optimierung der Taktzeit durch

Änderungen des Ablaufs ist eine logische Modellierung

allerdings häufig ausreichend.

3.2 Informationsquellen

Die Verhaltensmodelle für die Komponenten aus Bauteilen

sollen anhand der vorhandenen Engineeringdokumente

automatisiert generiert werden. Hierfür werden die

E/A-Liste, der Stromlaufplan der Elektrokonstruktion und

eine folgend beschriebene Dokumentation der Basisfunktionen

herangezogen. Für die Extraktion von Informationen

aus einem integrierten Stromlauf- und Fluidplan wird

auf Schob et al. [4] verwiesen.

3.3 Basisfunktionen

Verhaltensmodelle für Basisfunktionen

Da für die Basisfunktionen ein deterministisches Verhalten

angenommen wird und sie zustandsbasierte Systeme

darstellen, bieten sich für deren logische Modellierung

Zustandgraphen an. Das Zeitverhalten wird integriert,

indem die Reaktionszeit die Dauer eines Zustandsübergangs

darstellt. Für jede Basisfunktion muss ein Zustandsgraph

modelliert werden. Die Zustandsgraphen

werden als ein Block in der Bibliothek der Simulationssoftware

abgelegt (Bild 2).

Basisfunktionen sind nicht unternehmensspezifisch,

da sie standardmäßig im Bau von Montagemaschinen

eingesetzt werden. In diesem Aspekt unterscheiden sich

die Zustandsgraphen für Basisfunktionen von den Bibliotheksbausteinen

für unternehmensspezifische Module

in anderen Arbeiten [6, 7].

Integration der Zustandsgraphen in das Maschinenmodell

In vielen Engineeringprozessen existiert eine Definition

der Basisfunktionen bereits in der Steuerungstechnik. In

der Regel stellt dann ein Funktionsbaustein zur Steuerungsprogrammierung

die Ansteuerung und Abfrage für

alle Basisfunktionen bereit. Der Funktionsbaustein wird

für alle Basisfunktionen, die in der Maschine verwendet

werden, konfiguriert. Dies wird je nach Engineeringprozess

in unterschiedlicher Art und Weise, aber zumeist in

einem zentralen Engineeringwerkzeug vorgenommen.

Wesentlich ist, dass durch die Konfiguration eine Zuordnung

von Basisfunktionen zu Signaleingängen und -ausgängen

deutlich wird und dies aus dem Engineeringwerkzeug

extrahiert werden kann. Die extrahierte Konfiguration

bildet die Informationsquelle für die Zuordnung

der Zustandsgraphen im Maschinenmodell.

Wenn keine Zuordnungsmöglichkeit durch vorhandene

Engineeringdokumente besteht, muss auf die Referenzkennzeichnung

nach IEC 81346-1 [8] zurückgegriffen

werden. Die Referenzkennzeichnung gibt die

Zuordnung von Signalen zu einer Komponente vor. Die

Kennzeichnung der Signaleingänge und -ausgänge einer

Komponente differiert im ersten Kennbuchstaben.

Der Kennbuchstabe bezeichnet die Art, welche in IEC

atp edition

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27

Hauptbeitrag

BILD 3:

Zwei Ausschnitte

aus einem

Stromlaufplan

mit eingetragenen

Verbindungen

81346-2 [8] festgelegt ist. Für signalverarbeitende Betriebsmittel

wie zum Beispiel Ventile lautet der Kennbuchstabe

„K“. Für Betriebsmittel, die mechanische in

elektrische Energie umwandeln, wie beispielsweise

Sensoren, lautet er „B“.

Die Auswahl eines Zustandsgraphen für eine Komponente

richtet sich nach deren Anzahl an Eingängen mit

dem Kennbuchstaben „K“ und deren Anzahl an Ausgängen

mit dem Kennbuchstaben „B“. Für eine Ventil-Zylinder-Endschalter-Kombination

(Bild 2) existieren zwei

Eingänge und zwei Ausgänge dieser Form. Das System

zur automatisierten Erstellung stellt dem Anwender alle

Zustandsgraphen zur Auswahl, die der Kombination der

Ein- und Ausgänge der Komponente entsprechen.

Für sieben unterschiedliche, produktspezifische Montagemaschinen

wurden 16 unterschiedliche Basisfunktionen

identifiziert, die auf 11 verschiedenen Kombinationen von

Ein- und Ausgängen aufbauen. Der Aufwand zur Auswahl

des passenden Zustandsgraphen ist demnach gering.

3.4 Multifunktionen

Verhaltensmodelle aus elektrischen Wirkketten

Im Folgenden werden die Inhalte automatisiert erstellter

Verhaltensmodelle für die Komponenten festgelegt, die

Multifunktionen umsetzen. Für deren Modellbildung zur

Hardware-in-the-Loop-Simulation genügt ebenfalls ein

Blockschaltbild aus logischen Elementen. Die Auswahl

und Verknüpfung der Blöcke richtet sich nach der elektrischen

Wirkkette, die im Stromlaufplan dokumentiert ist.

Es ergeben sich zwei Einschränkungen. In diesen Fällen

muss manuell modelliert werden.

1 | Für die Signale, die mit dem geometrischen Modell

gekoppelt sind, muss die Verknüpfung manuell realisiert

werden.

2 | Für den Anschluss an Baueinheiten über binäre

Signale gilt, dass aus dem Stromlaufplan allein das

Symbol „Geräteanschluss“ gelesen werden kann.

Für diesen Anschluss wird im Blockschaltbild automatisiert

ein nicht weiter spezifizierter Block

„Baueinheit“ eingesetzt. Der für den fehlerfreien

Ablauf der Simulation notwendige, logisch richtige

Ausgang dieses Blocks muss über eine manuelle

Modellierung erzeugt werden.

Generieren von Blockschaltbildern im Maschinenmodell

Gegenstand dieses Abschnittes ist es, die auf die Signalein-

und -ausgänge folgende elektrische Wirkkette in

das Blockschaltbild des Maschinenmodells zu übersetzen.

Dazu werden folgende Schritte festgelegt:

1 | Erstellen einer Verbindungsliste

2 | Relevante Verbindungen ermitteln

3 | Bildung von Wirkketten

4 | Übersetzen in Blockschaltbilder

zu 1 | Der Informationsgehalt des Stromlaufplans wird

durch die Erstellung einer Verbindungsliste aus der Elektrokonstruktion

extrahiert. Die Erstellung basiert auf einer

zu definierenden Vorlage, sodass die Verbindungsliste die

vollständige Betriebsmittelkennzeichnung mit Anschlussbezeichnung,

die Symbolfunktion des Quelle- und Zielelements

und den Potenzialtyp jeder Verbindung enthält.

zu 2 | In der Verbindungsliste befinden sich Verbindungen

jeglicher Art. Verbindungen, die nicht vom Potenzi-

28

atp edition

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Basisfunktion

BILD 4: Ergebnis der

Modellierung einer Basisfunktion

in Virtuos [5]

altyp Außenleiter „L“ sind, werden gefiltert. Daraufhin

verbleiben unter anderem noch Verbindungen, deren Elemente

nur über die Potentiallinie parallel miteinander

verbunden sind. Dies sind Verbindungen, die zur Versorgung

existieren und keinen Bestandteil der Wirkkette

darstellen (Bild 3). Um diese zu identifizieren, wird eine

separate Verbindungsliste erstellt, die allein die Verbindungen

enthält, die der 0V-Klemme oder dem Netzteil

entspringen. Diese Verbindungen werden von der Verbindungsliste

gelöscht.

zu 3 | Eine Wirkkette wird durch eine Kette an Elementen

dargestellt. Eine Kette wird durch die Verknüpfung

der Quelle-Ziel-Verbindungen gebildet. Eine Verknüpfung

bedingt, dass das Betriebsmittelkennzeichen und

die Anschlussbezeichnung eines Zielelements gleich

denen des Quellelements einer anderen Verbindung sind

oder umgekehrt. Neben den unverzweigten Wirkketten

existieren Besonderheiten:

Relais: Die Ketten werden nach Elementen mit der

Symbolfunktion „Spule“ durchsucht. Wenn eine

Spule gefunden wird, wird in allen anderen Ketten

nach Elementen gesucht, die zum einen das gleiche

Betriebsmittelkennzeichen wie die Spule und zum

anderen eine Symbolfunktion aus der Gruppe der

Kontakte besitzen. Die betroffenen Ketten werden von

dem eingesetzten Block „Spule“ aus verknüpft. Dieser

Block hat die Funktion eines Verteilerblockes.

Parallelschaltungen: Es liegt eine Parallelschaltung

vor, wenn ein Element mit derselben Betriebsmittelkennzeichnung

und Anschlussbezeichnung Quelle

zweier Verbindungen ist. Für den Fall, dass ein Element

in einer ersten Verbindung Ziel und in einer

zweiten Verbindung Quelle ist, muss die zweite Verbindung,

in der das Element die Quelle darstellt,

manipuliert werden. Die neue Quelle soll das Element

sein, das Quellelement der ersten Verbindung

ist (Bild 3). Nun ist das erste Quellelement Quelle

zweier Verbindungen. Diese Regel kann allerdings

nicht mehr angewandt werden, wenn eines der Elemente

nur eine Anschlussbezeichnung besitzt, wie

zum Beispiel bei einer Durchgangsklemme. Denn

diese ist auch bei einer Reihenschaltung sowohl Zielals

auch Quellelement einer Verbindung.

zu 4 | Die Elemente einer Kette sind Basis des Blockschaltbildes.

Eine Symbolfunktion eines Elements aus der Kette

wird direkt in einen Block übersetzt. Dazu wird eine

Übersetzungsliste benötigt, die die Funktionen der Symbole

im Stromlaufplan Blöcken aus der Bibliothek des

Simulationstools zuweist. Hierbei werden nur die für die

Wirkkette relevanten Funktionen übersetzt, also beispielsweise

Kontakte, aber keine Sicherungsschalter.

In Bild 3 befinden sich an der 24V-Potenziallinie nichtrelevante

Verbindungen nach Schritt 2. Die Spulen im

linken Abschnitt schalten die Schließer im rechten

Abschnitt (Schritt 3). Zudem beinhaltet der linke Ausschnitt

zwei Parallelschaltungen, die durch die ursprünglichen

Verbindungen und durch die manipulierten

Verbindungen gekennzeichnet sind (Schritt 3).

Die Parallelschaltung wird aber nicht im Blockschaltbild

dargestellt, da ihr paralleles Element eine Diode

ist, die zu den nicht relevanten Symbolfunktionen gehört

(Schritt 4).

atp edition

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29

Hauptbeitrag

Signal mit Anbindung an das geometrische Modell

Signal als binärer Anschluss an einer Baueinheit

Signal der Sicherheitstechnik

BILD 5: Ergebnis der

Modellierung für Multifunktionen

in Virtuos [5]

4. Umsetzung

Das vorgestellte Konzept zur automatisierten Modellerstellung

wurde in einem Modellierungstool realisiert. Im

Folgenden werden die Ergebnisse an einer Beispielmaschine

gezeigt.

Bei der automatisierten Modellerstellung werden

zuerst die Basisfunktionen identifiziert. Hierfür können

im betrachteten Engineeringprozess die Konfigurationen

eines Funktionsbausteins aus einem Engineeringwerkzeug

extrahiert werden. Des Weiteren

kann auf eine Bibliothek mit Zustandsgraphen wie in

Bild 2 zugegriffen werden. An der Beispielmaschine,

die 201 binäre Signale besitzt, wird automatisiert

identifiziert, dass 136 Signale (68 %) Basisfunktionen

umsetzen. Diesen werden automatisiert 39 Zustandsgraphen

zugeordnet.

Bild 4 zeigt das Ergebnis der automatisierten Modellerstellung

für eine Basisfunktion in der Simulationssoftware.

Autoren

Dipl. Wirtsch.-Ing. Annika

Kufner (geb. 1982) ist seit Mai

2008 externe Doktorandin am

ISW der Universität Stuttgart.

Sie absolvierte drei Jahre das

Bosch-Doktorandenprogramm.

Seit August 2011 ist Kufner

Research Scientist bei der

Robert Bosch Ltd. in Singapur.

Robert Bosch (SEA),

Pte Ltd, 11 Bishan Street 21, Singapore 573943,

E-Mail: annika.kufner@sg.bosch.com

Dr.-Ing. Philipp Dreiss

(geb. 1972) ist Projektleiter

für Condition Monitoring in

der zentralen Forschung und

Vorausentwicklung der Robert

Bosch GmbH. Zuvor war er

Forschungsreferent bei der

Europäischen Kommission.

Robert Bosch GmbH,

Robert-Bosch-Str. 2, D-71701 Schwieberdingen,

Tel. +49 (0) 711 811 14 74,

E-Mail: philipp.dreiss@de.bosch.com

30

atp edition

9 / 2011

Die verbleibenden Signale aus der E/A-Liste sind den

Multifunktionen zuzuordnen. Zu ihrer Modellierung

werden die elektrischen Wirkketten aus dem Stromlaufplan

herangezogen. Von den verbleibenden 65 Signalen

der Beispielmaschine decken sich die Betriebsmittelkennzeichnungen

von 28 Signalen (14 %) mit denen im

Stromlaufplan, sodass diese automatisiert modelliert

werden können.

Bei den meisten Signalen der Multifunktionen handelt

es sich um Eingänge beziehungsweise Ausgänge der Beispielmaschine,

deren Wirkkette ausschließlich aus einer

Verbindung zu einem Geräteanschluss oder einem Sensor

besteht. Für das Symbol „Geräteanschluss“ wird ein

Block „Baueinheit“ generiert. Wenn der Sensor mit dem

Materialfluss in Verbindung steht, ist er mit dem geometrischen

Modell zu verbinden Diese Verbindung wird

jedoch nicht automatisiert erstellt.

In Bild 5 sind die Ergebnisse der automatisierten Modellerstellung

in den beiden ersten Kästen beispielhaft

dargestellt.

Weitere, den Multifunktionen zugeordnete Signale

gehören der Sicherheitstechnik an. Der untere Kasten in

Bild 5 zeigt die automatisiert erstellte Modellierung der

Wirkkette aus dem Stromlaufplan in Bild 3. In diesem

Beispiel wird die Verknüpfung von einzelnen Wirkketten

über Relais zu einer gesamten Wirkkette deutlich.

tensmodelle erstellt werden. Davon wurden 68 % anhand

von Basisfunktionen und 14 % anhand des Verfahrens

für Multifunktionen modelliert.

Für die Verhaltensmodelle wird eine logische Modellierung

des Verhaltens gefordert. Diese Anforderung wird

bei der automatisierten Erstellung von Verhaltensmodellen

für binäre Signale, die Basisfunktionen umsetzen,

erfüllt. Deren Verhalten kann anhand von Zustandsgraphen

automatisiert logisch modelliert werden.

Zur logischen Verhaltensmodellierung der Multifunktionen

werden Informationen aus dem Stromlaufplan

extrahiert. Hierbei treten jedoch Einschränkungen

auf. Insbesondere Interaktionen mit dem Materialfluss

müssen im Maschinenmodell durch die Anbindung

einzelner Signale an das geometrische Modell

manuell modelliert werden.

Aufgrund der großen Abdeckung binärer Signale mit

automatisiert erstellten Verhaltensmodellen lässt sich

durch die Automatisierung trotz der Einschränkungen,

die zu einer manuellen Nachbearbeitung des Maschinenmodells

führen, etwa zwei Drittel des Aufwands bei

der Erstellung einsparen.

Manuskripteingang

01.02.2011

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet

Zusammenfassung

Das vorgestellte Konzept betrachtet die Erstellung der

Verhaltensmodelle aller im Maschinenmodell abzubildenden

Komponenten und zeigt eine Lösung zur automatisierten

Erstellung für Komponenten auf, die über binäre

Signale kommunizieren.

Das Ziel der automatisierten Erstellung von Verhaltensmodellen

kann für fast alle binären Signale erreicht

werden. Ausgenommen sind lediglich die in der E/A-

Liste nicht normgerecht oder nicht mit dem Stromlaufplan

übereinstimmend bezeichneten Signale. Bei der

Beispielmaschine konnten für 82 % der Signale Verhal-

Prof. Dr.-Ing. PETER Klemm

(geb. 1950) ist seit 2002 stellvertretender

Leiter des Instituts

für Steuerungstechnik der

Werkzeugmaschinen und

Fertigungseinrichtungen (ISW)

der Universität Stuttgart.

Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen

und Fertigungseinrichtungen (ISW),

Universität Stuttgart,

Seidenstraße 36, D-70174 Stuttgart,

Tel. +49 (0) 711 68 58 24 20,

E-Mail: Peter.Klemm@isw.uni-stuttgart.de

Referenzen

[1] Scheifele, D., Eger, U., Röck, S., Sekler, P.: Potentiale

der Hardware-in-the-Loop-Simulation für Maschinen

und Anlagen. In: Verl, A., u.a. (Hrsg.): SPS/IPC/Drives,

27.-29. Nov. 2007, Nürnberg, S. 555-565

[2] reinhart, G., Wünsch, G.: Economic Application of

virtual commissioning to mechatronic production

systems. Production Engineering 1 (2007), H. 4, S.

371-379

[3] Kufner, A., Haug, K., Klemm, P.: Modellierung von

Montagemaschinen für die Hardware-in-the-Loop-

Simulation. In: Gausemeier, J., u.a. (Hrsg.): 7.

Paderborner Workshop Entwurf Mechatronischer

Systeme, 18.-19. März 2010, Paderborn, S. 115-126

[4] Schob, U., Böttcher, R., Blochwitz, T., Oelsner, O.,

Winter, M.: Model based virtual startup of automation

systems. In: Proceedings 7th Modelica Conference,

20.-22. Sept. 2009, Como, S. 790-797

[5] Simulationssoftware Virtuos, ISG GmbH, Stuttgart

[6] Kiefer, J., Ollinger, L., Bergert, M.: Virtuelle Inbetriebnahme

- Standardisierte Verhaltensmodellierung

mechatronischer Betriebsmittel im automobilen

Karosseriebau. atp – Automatisierungstechnische

Praxis 51 (2009) H. 7, S. 40-46

[7] reinhart, G., Hensel, T., Lindworsky, A., Spitzweg, M.:

Teilautomatisierter Aufbau von Simulationsmodellen.

wt Werkstattstechnik online 97 (2007), H. 9, S. 663-667

[8] ieC 81346-1:2009-07: Industrielle Systeme, Anlagen

und Ausrüstungen und Industrieprodukte - Strukturierungsprinzipien

und Referenzkennzeichnung, 2009

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9 / 2011

31

hauptbeitrag

Life Cycle Support

per Simulator

Erfolgreiche Umsetzung für Großanlagen

Im Bereich der Energietechnik werden Simulatoren vorrangig zum Training des Bedienpersonals

eingesetzt. Dabei sind jedoch große Einsparpotenziale erkennbar, wenn Simulatoren

bereits früh bei der Planung der Anlagen eingesetzt werden. Prozesssimulatoren

können wertvolle Aussagen über die Dimensionierung verschiedenster Hardwarekomponenten

liefern. Die virtuelle Inbetriebnahme prüft die Funktionsfähigkeit der Automatisierungslösung

und erlaubt eine (zumindest Grund-) Optimierung der Regelkreise vor der

tatsächlichen Inbetriebnahme. Aber auch im eigentlichen Betrieb ist ein Simulator sinnvoll

einsetzbar. So können geplante Änderungen an der Anlage und der Automatisierung

im Simulator gründlich erprobt und auf ihre Wirksamkeit hin untersucht werden.

SCHLAGWÖRTER DCS / Emulation / Virtuelle Inbetriebnahme / Life cycle Support

Life cycle support per simulator –

Successful implementation for large processes

The usage of simulators over the whole life cycle of a plant is a very important part of the

engineering process. Currently the usage is still different: whilst it is nearly common

practice in the area of process industry, in the energy generating industries simulators

are mainly used for operator training purposes. Large money saving potential has been

identified when using simulators as early as possible during the engineering of the plant.

Process simulators are able to give vital informations about the proper dimensioning of

hardware components and give hints how to optimize them with respect to their behaviour

during operation (e.g. controllability of valves or drives). The virtual commissioning

of the control application checks the functionality of the solution proposed and to perform

an – at least – base optimization of the control loops before starting the real commissioning.

During life time of the plant changes and further optimizations may be checked

thoroughly before implementation.

KEYWORDS DCS / Emulation / Virtual commissioning / Life cycle support

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atp edition

9 / 2011

Herbert Krause, Secolon

Alexander FriCK, TORGRim SchiEFLOE, ABB

Die nördlichste und größte Erdgasverflüssigungsanlage

(Liquefied Natural Gas, LNG) auf der Insel

Melkøya in der Nähe von Hammerfest in Norwegen

wurde in den Jahren 2008/2009 in Betrieb

genommen [1]. Das Erdgas stammt aus den unterseeischen

Feldern Snøhvit, Albatross und Askeladd, die

etwa 150 km nordwestlich der Anlage in der Barents See

liegen. Der Vorrat an Erdgas wird auf 193 Mrd. m 3 geschätzt.

Dank der tiefen Temperaturen und neu entwickelter Prozesse,

wie zum Beispiel der Mixed Fluid Cascade (MFC),

wird im Vergleich zu anderen Anlagen ähnlicher Größe ein

sehr guter Wirkungsgrad erwartet [2]. Auch bei der Errichtung

der Anlage wurden neue Wege beschritten: Sie wurde

in Portugal auf einer Barke installiert und dann auf dem

Seeweg an ihren endgültigen Standort gebracht, siehe Bild 1.

Da die Inbetriebnahme einer solchen Anlage eine sehr

zeitaufwendige Aufgabe ist und da einige Prozesse überhaupt

zum ersten Mal zum Einsatz kamen, wurde entschieden,

so viel Planungs- und Engineering-Arbeit wie irgend

möglich vor der Inbetriebnahme der realen Anlage durchzuführen.

Aus diesem Grund beschlossen Statoil (als späterer

Betreiber) und Linde (als Planer), eine virtuelle Inbetriebnahme

der Anlage mit Hilfe eines „High Fidelity“-Simulators

durchzuführen. Ziel war es, das Training des Bedienpersonals

ein Jahr vor dem Start der Inbetriebnahme der realen

Anlage zu beginnen, möglichst viele Parameter einzustellen

und die Automatisierung weitestgehend zu testen.

1. Der Simulator

Der Simulator besteht aus verschiedenen dynamischen

Prozessmodellen, die von Kongsberg Maritime (ehedem

Fantoft Process Technologies, Sandvika, Norwegen) bereitgestellt

wurden, dem Bediensystem „Human System

Interface“ (HSI) des 800xA Systems von ABB, dem Engineering

Simulator, der das Verhalten der PM875-Komponenten

(ebenfalls ABB) emuliert, und einem Emulator des

Hima Fail Safe Systems.

Der Emulator der Controller (PM875) stellt hier eine

Eins-zu-eins-Kopie des Originalsystems bereit. Er kann

sehr leicht an Änderungen der Automatisierung angepasst

werden, da Emulator und Produktivsystem dieselben

Konfigurationsdaten nutzen.

Das Bediensystem wird als Standardprodukt eingesetzt,

allerdings erweitert um das simulatorspezifische

Produkt „800xA Simulator“, und wird vom Simulator

des Prozessmodells stimuliert. Dies stellt sicher, dass das

Bedienpersonal dasselbe „Look and Feel“ wie an der realen

Anlage vorfindet, was den Trainingseffekt weiter

steigert. Die Software 800xA Simulator verbindet und

synchronisiert alle Komponenten des Simulators. Die

Hardware ist auf VMWare-ESX-Servern komplett virtualisiert.

Dadurch wird der benötigte Platz und Energieaufwand

minimiert (siehe Bild 2).

1.1 Das Prozess-Modell

Das dynamische Modell umfasst sowohl den On-Shoreals

auch den Off-Shore-Bereich der Anlage [4]. Als Simulationswerkzeuge

werden D-SPICE (Dynamic Simulator

for Process, Instrumentation and Control Engineering) für

das Prozess-Modell und OLGA2000 für das Pipeline-

Modell eingesetzt [5]. Die Konfiguration erfolgt über eine

grafische Bedienoberfläche (siehe Bild 3).

1.2 Das Leitsystem

Als Leitsystem für die LNG-Anlage wird das System

800xA benutzt [6] [7] [8]. Hierbei handelt es sich um ein

Leitsystem für Großanlagen. Der aktive Teil AC 870P / Melody

ist ein Bus-basiertes System mit verteilten Bearbeitungsbaugruppen

(PM875). Die grundsätzliche Systemstruktur

ist in Bild 4 dargestellt.

Die Prozessgrößen werden über I/O-Baugruppen oder

MODBUS-Komponenten mit dem Prozess ausgetauscht.

Über den Hochgeschwindigkeits-Bus Fnet werden diese

Daten an die Controller übertragen. Die Kommunikation

zwischen den Controllern erfolgt über das Cnet (Control

Network). Die Daten für das Bedienen und Beobachten

atp edition

9 / 2011

33

Hauptbeitrag

BILD 1:

Die Snøhvit

Barke [3]

BILD 2: Virtualisierte Hardware

laufen über das Onet (Operation Network). Diese Netzwerke

wurden getrennt, um sicherzustellen, dass der

aktive Teil des Systems unter keinen Umständen durch

einen großes Datenaufkommen zum HSI beeinflusst

wird, wie das zum Beispiel bei einem Anlagenfehler passieren

kann, wenn viele Alarme in den Alarmlisten zur

Anzeige gebracht werden müssen. Es sind 18 Controller

im Einsatz und mehr als 10 000 Prozessgrößen werden

mit dem Prozess ausgetauscht.

Die Konfiguration des Leitsystems erfolgt über den „Engineering

Workplace“, der über das Onet mit den Controllern

verbunden ist. Änderungen in der Automatisierung

können nur hier vorgenommen werden („erzwungene Vorwärtsdokumentation“).

Die Konfiguration erfolgt durch

das Zeichnen von Funktionsplänen. Ein Beispiel für einen

benutzerdefinierten Funktionsbaustein zeigt Bild 5.

In den Funktionsplänen befinden sich die Eingangsgrößen

(Prozesssignale oder Parameter) auf der linken

Seite. Parameter können hierbei fest eingestellt sein (zum

Beispiel PARA), aus anderen Prozessgrößen berechnet

(beispielsweise R1) oder vom Bedienpersonal über die

Bedienoberfläche (HSI) geändert werden. Auf der rechten

Seite befinden sich die Ausgänge (Prozesssignale (OC)

und Status-Informationen (STA)).

Zur Unterstützung für die Inbetriebnahme und zur

Lokalisierung von Fehlfunktionen ist es möglich, in das

Leitsystem hineinzusehen und interne und globale Variablen

abzugreifen und darzustellen (siehe Bild 6).

1.3 Emulator des Leitsystems

Bei dem hier vorgestellten Simulator wird eine Kopie der

realen Bedienoberfläche benutzt. Der „800xA Simulator“

stellt ein Interface zum Ausbilderplatz bereit sowie spezifische

Funktion für das Simulatortraining, beispielsweise

das Speichern von Anfangszuständen oder von

geladenen Anfangszuständen oder das Ändern der Simulationsgeschwindigkeit.

Die Controller und Koppelbaugruppen

werden als Programme emuliert, die auf einem

Dell Poweredge-2950-Server mit 2 Dual Core 2.33 GHz

CPUs und Windows-2003-Server-Betriebssystem laufen.

Der Emulator benutzt den original Quellcode der Funktionsbausteine

und stellt so sicher, dass die Bausteine

dasselbe Verhalten wie das reale System zeigen. Jeder

Controller und jede Koppelbaugruppe läuft in einer eigenen

Windows Task. Dadurch kann das System leicht an

die Bedürfnisse angepasst und skaliert werden. Alle berechneten

Daten werden in der Datenbank Primo S abgespeichert.

Diese Datenbank ist sehr flexibel und erlaubt,

auf verschiedenen Wegen und extrem schnell auf die

Daten zuzugreifen. Einen Eindruck von der Komplexität

des Systems und den alle 250 ms zu verarbeitenden

Datenmengen vermitteln die folgenden Zahlen:

94 000 Funktionsbausteine

360 000 Inbetriebnahmeparameter

650 000 Variablen innerhalb der Controller

350 000 globale Variablen für die Kommunikation

mit dem Prozess, dem HSI und zwischen den

Controllern

Mehr als 10 000 mit dem Prozess-Simulator

ausgetauschte Prozessgrößen

Die Konfiguration der Controller und Koppelbaugruppen

erfolgt ohne manuelle Nachbearbeitung aus denselben

Daten, die auch an die realen Baugruppen gesendet werden.

Die Verbindung zum simulierten Prozess übernimmt

ein OPC-DA-Server, der alle im Emulator vorhandenen

globalen Variablen von außen zugänglich macht. Die Aktualisierung

läuft alle 250 ms entsprechend der Zykluszeit

im Emulator ab.

Während des Hochfahrens scannt der OPC-DA-Server alle

Daten in der Datenbank, liest die vom Engineering Workplace

bereitgestellten Signallisten für die Prozessvariablen

und erzeugt so die „erweiterte MSR-Liste“, die alle mit dem

Prozess-Simulator auszutauschenden Daten einschließlich

der vollständigen Signalnamen und Messbereiche enthält.

Mithilfe einiger Skripte kann der Simulator-Hersteller aus

diesen Daten vollautomatisiert die für die Ankopplung des

Prozess-Simulators notwendigen Daten generieren.

Um das ordnungsgemäße Funktionieren der Regel-Logik

zu prüfen, kann der Engineering Workplace ebenso wie

mit dem realen System auch mit dem Emulator verbunden

34

atp edition

9 / 2011

Wie bereits beschrieben besteht der Simulator aus einer

großen Anzahl von Komponenten verschiedener Hersteller

(siehe Bild 7). Es ist von größter Wichtigkeit, dass alle

diese Komponenten ohne großen Aufwand zusammenarbeiten.

Das Modul 800xA Simulator koordiniert die verschiedenen

Komponenten.

Hierzu müssen drei Aufgaben ausgeführt werden: Die

Simulator-Befehle müssen an alle Komponenten weitergereicht,

die Komponenten müssen synchronisiert und

der Datenaustausch zwischen den verschiedenen Modulen

muss ermöglicht und verwaltet werden.

Die Simulator-Befehle werden auf dem Ausbilderplatz

erzeugt und an die verschiedenen Komponenten weitergeleitet.

Jede Komponente führt die angeforderte Aktion

aus und sendet dann ein Bestätigungssignal, ob dies erfolgreich

geschehen ist. Das System fährt erst dann fort,

wenn alle Bestätigungen innerhalb einer definierten Antwortzeit

eingetroffen sind.

Dieses Vorgehen erlaubt es, alle beteiligten Komponenten

zu synchronisieren. Dadurch wird zum Beispiel sichergestellt,

dass die Anfangsbedingungen (Initial Conditions,

ICs) oder Schnappschüsse des Simulatorzustandes

konsistent sind (das heißt, dass beispielsweise der

Schnappschuss der Automatisierung mit den entsprechenden

Trend-Darstellungen zusammenpasst). Besonders

wichtig wird diese Aufgabe, wenn – wie im vorgestellten

Beispiel – nicht nur ein Emulator vorhanden ist,

sondern verschiedene Emulatoren und Prozess-Simulatoren

zusammenarbeiten.

Für die Sicherstellung des Datenaustausches wurde

das OPC DA Framework implementiert. Es handelt sich

hierbei um eine Plattform, auf der alle OPC-Daten des

Systems an einer Stelle zusammengefasst und bereitgestellt

werden. Jeder Client kann sich hier verbinden und

die notwendigen Daten austauschen.

Das System stellt ein einheitliches Interface für alle

Komponenten zur Verfügung und benutzt dazu allgemein

vorhandene Technologien wie DCOM und OPC.

Einmal implementiert ist es dann sehr einfach, Komponenten

verschiedener Hersteller zu koppeln. Dadurch ist

es möglich, unabhängig vom Anbieter, für die anstehenden

Aufgaben die Komponenten zu verwenden, die die

Anforderungen am besten erfüllen.

2. Life Cycle Support

BILD 3: D-SPICE HSI [5]

werden. So können zum Beispiel interne oder globale Variablen

angemessen und genau so im Funktionsplan dargestellt

werden, wie dies auch im realen System der Fall

ist. Deswegen braucht der Inbetriebnahme-Ingenieur kein

Spezialwissen, wenn er mit dem Emulator arbeitet.

1.4 Struktur des Simulatorsystems

Der Simulator ist darauf ausgelegt, den kompletten Lebenszyklus

eines Prozesses zu begleiten. Dabei sind folgende

Aufgaben zu erfüllen[9]:

Konzeption

Auslegung

Engineering

Inbetriebnahme

Testen der Bedienoberfläche (HSI)

Betrieb

Auf- und Umrüstungen

Während die Konzeption und die Auslegung sehr stark

mit der Hardware der Anlage verbunden sind und deswegen

nur vom Prozess-Modell und den Lieferanten der

Verfahrenstechnik unterstützt werden, ist der Simulator

sinnvoll für alle weiteren Aufgaben einzusetzen. Schon

zu einem sehr frühen Zeitpunkt ist die regelungstechnische

Applikation von höchster Wichtigkeit für den optimalen

und effizienten Betrieb der Anlage. Sie sollte frühestmöglich

auf ihre Fähigkeiten untersucht werden.

Die wichtigsten während der Engineering-Phase zu

prüfenden Bereiche sind:

Prüfen des Regelungssystems: Es muss geprüft werden,

ob die grundlegenden Funktionen ordnungsgemäß

implementiert sind und ob die Regelung alle

geforderten Funktionen bietet. Dies beginnt bei sehr

einfachen Fragestellungen wie „Arbeiten die Stellantriebe

in der richtigen Laufrichtung?“ bis zu

anspruchsvolleren Aufgaben wie zum Beispiel die

Pumpverhütungsregelung von Kompressoren (um

einen sicheren Betrieb zu gewährleisten) bis zur

korrekten Funktion einer Ablaufsteuerung (für einen

sicheren und effizienten Betrieb der Anlage).

Prüfen der Prozeduren: Die Fahrweise für das Hochfahren

und den regulären Betrieb der Anlage werden normalerweise

vom Prozesslieferanten zur Verfügung gestellt.

Wenn die Anlage neu ist oder ein Prozess sogar

zum ersten Mal zum Einsatz kommt, ist es notwendig

zu prüfen, ob die getroffenen Annahmen zutreffend

sind. Wenn der Simulator den Prozess mit hinreichender

Genauigkeit wiedergibt und dieser mit dem Emulator

des Leitsystems betrieben wird, kann der Kunde

schon Vertrauen in das korrekte Funktionieren der Anlage

bekommen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen

stellen zumindest eine gute Ausgangsbasis für die Inbetriebnahme

der realen Anlage bereit. In dem beschriebenen

Projekt Hammerfest wurden insgesamt 500

Punkte in diesem Bereich entdeckt und behoben [9].

atp edition

9 / 2011

35

Hauptbeitrag

BILD 6:

Angemessener

Ausgangswert

BILD 4: 800xA System Struktur

BILD 5: Funktionsbaustein

BILD 7:

Struktur des

Simulatorsystems

Prüfen der Bedienoberfläche (HSI): Der Simulator erlaubt

es, die Bedien- und Alarmierungsphilosophie

zu prüfen und gegebenenfalls zu verbessern. Dies sind

Aufgaben, die in vielen Projekten aus Zeitmangel unterbleiben,

was zu einem unbefriedigenden Ergebnis

führen kann. Mit Hilfe des Simulators ist es möglich,

das HSI so rechtzeitig zu prüfen, dass noch Optimierungsarbeiten

durchgeführt werden können.

Prüfen von Umbauten: In Zukunft soll der Simulator

dazu benutzt werden zu prüfen, ob beabsichtigte Umbauten

oder Änderungen an der Regelstrategie wirklich

Verbesserungen ergeben. Sie können ohne Gefahr

für die reale Anlage geprüft und – bei Erfolg –

umgesetzt werden.

3. uPgrade des Emulators nach Änderungen

Für alle beschriebenen Aufgaben ist es notwendig, die

bestehende regelungstechnische Applikation ändern zu

können, um gefundene Fehler zu beseitigen. Um die

Arbeit zu minimieren, ist es sehr wichtig, dass bereits

gewonnene Daten erhalten bleiben und dass nur die

Bereiche nachgezogen werden, die verändert wurden.

Folgende Änderungen sind möglich:

Änderungen in der Struktur der Automatisierung.

Dies tritt auf, wenn in der bereits umgesetzten Automatisierung

eine Fehlfunktion festgestellt wird. Hier

muss eine andere Lösung erarbeitet und im Engineering

Workplace konfiguriert werden.

Änderungen an den Parametern der Funktionsbausteine.

Diese Parameter sind fest konfiguriert und können nur

über den Engineering Workplace geändert werden.

Änderungen von Parametern über die Bedienoberfläche,

den „bedienbaren“ Parametern. Dies sind üblicherweise

Alarmgrenzen und Ähnliches.

Identifizierung der gültigen Parameter, um feststellen

zu können, ob alle Parameter wie vorgesehen geändert

wurden.

In dem beschriebenen Projekt musste zusätzlich berücksichtigt

werden, dass die Änderungen an der regelungstechnischen

Applikation beim Hersteller des DCS-Systems

durchgeführt wurden, die Integration des Emulators

mit dem Prozess-Modell aber in den Räumen des Simu-

36

atp edition

9 / 2011

latorherstellers in Sandvika in der Nähe von Oslo stattfand.

Ein Trainingssimulator wurde schon Anfang 2006

in Hammerfest installiert, der regelmäßig auf den neuesten

Stand gebracht werden musste, um belastbare Trainingskurse

durchführen zu können.

3.1 Automatisierungsstrukturen

Wenn die regelungstechnische Applikation geändert wird,

können Funktionsbausteine gelöscht, neu hinzugefügt

oder Ein- und Ausgänge anders belegt werden. Diese Prozedur

kann, wie schon erwähnt, nur im Engineering Workplace

erfolgen. Jeder Funktionsbaustein hat innerhalb des

Planes eine eindeutige Kennzeichnung (Betriebsmittelkennzeichen,

BMZ). Weiterhin benötigen die meisten Bausteine

interne (lokale) Variablen, um den Zustand des letzten

Rechenschrittes oder der letzten Rechenschritte zwischenzuspeichern.

Wenn ein Funktionsbaustein gelöscht

wird, hält der Engineering Workplace das entsprechende

BMZ und die Indizes der zugehörigen lokalen Variablen in

einer Liste. Damit wird verhindert, dass diese Größen sofort

wiederverwendet werden. Dies ist erst wieder möglich,

wenn der geänderte Plan in einen Controller geladen wurde

und dann eine erneute Änderung ansteht.

Wird ein neuer Funktionsbaustein eingefügt, dann

werden die BMZ und die Indizes an das Ende der bisher

benutzten angefügt.

Diese Regeln erlauben es, einen ausgefeilten Algorithmus

zu entwickeln, der geänderte Variablen identifiziert

und – genau wie im realen System – auf den Default-Wert

setzt (normalerweise 0).

3.2 Parameter der Funktionsbausteine

Die Parameter der Funktionsbausteine sind Bestandteil

der Konfigurationsdateien für die Controller. Nach einer

Änderung sind diese Parameter also sofort für alle Anfangzustände

wirksam.

Wenn nun im Engineering Workplace eine neue Konfigurationsdatei

erzeugt wird, nachdem ein Parameter

im Emulator geändert wurde, gehen diese Änderungen

verloren. Deswegen wurden Werkzeuge entwickelt, die

es erlauben alle Parameter im Emulator zu ex- und importieren.

Weiterhin können diese Parameter im Engineering

Workplace importiert werden. Daraus ergeben

sich zwei verschiedene Workflows:

1 | Die aus dem Emulator exportierten Parameter werden

in den Engineering Workplace importiert bevor

die neuen Konfigurationsdateien erzeugt werden.

Dann sind die neuen Parameter bereits Bestandteil

der neuen Applikation.

2 | Die exportierten Parameter werden nach der Erstellung

der neuen Applikation in den Emulator geladen

und vom Emulator in die Konfigurationsdateien

geschrieben.

Beide Vorgehensweisen waren im beschriebenen Projekt

notwendig. In der Anfangsphase wurde zunächst Workflow

2 benutzt, da das Engineering vorrangig die Struktur

der Automatisierung voranbringen wollte und nicht so

sehr auf Parameteränderungen geachtet hat. In der Endphase

ist Version 1 vorzuziehen, da hier die Parameter in

den Engineering Workplace geladen werden, der die Konfigurationsdaten

für das reale System erzeugt.

3.3 Bedienbare Parameter

Die bedienbaren Parameter können durch das Bedienpersonal

über die Bedienoberfläche geändert werden. Sie

sind Bestandteil jedes Anfangszustandes. Deswegen gibt

es ein weiteres Tool, das alle Anfangszustände automatisch

ändert. Die Parameter müssen zur späteren Anwendung

in der realen Anlage natürlich auch in den Engineering

Workplace importiert werden.

3.4 Nachführen der Anfangszustände

Schließlich müssen die Anfangszustände nachgeführt werden.

Dies ist für den Projektverlauf von höchster Wichtigkeit,

da die Ergebnisse des gesamten Integrationsprozesses

hierin gespeichert sind. Mit den beschriebenen Regeln werden

alle notwendigen Schritte automatisch ausgeführt.

3.5 Upgrade Workflow

Der Integrations- und Test-Prozess wurde dadurch erschwert,

dass die Arbeiten an drei verschiedenen Plätzen

durchgeführt wurden: dem Engineering-Bereich in Bergen,

den Büros des Simulator-Herstellers in der Nähe von

Oslo und dem Trainings-Simulator in Hammerfest.

Während das Integrations-Team das System auf Fehlfunktionen

hin prüfte, setzte das Engineering-Team seine

Arbeit fort. Bei der Integration gefundene Fehlfunktionen

wurden an das Engineering-Team zur Korrektur berichtet.

Während der Korrektur wurde die Integration aber fortgesetzt,

um Zeit zu sparen. Es ist offensichtlich, dass dieses

Vorgehen von allen Beteiligten ein hohes Maß an Disziplin

verlangte, damit keine Arbeitsergebnisse verloren gehen.

Wenn eine neue Version der Applikation vorlag, erzeugte

das Integrations-Team Anfangszustände mit dem aktuellen

Integrationsstand und eine Liste aller Parameter. Nach dem

Upgrade des Emulators auf die neue Applikation wurden

die Anfangszustände entsprechend konvertiert und die Parameter

re-importiert. Diese Schleife musste für jedes Upgrade

durchgeführt werden. In Hammerfest wurden im

Projektverlauf ungefähr 40 Iterationen vorgenommen.

In anderen aktuell bearbeiteten Projekten, wie zum

Beispiel dem Simulator für das Kohlekraftwerk Datteln,

wurde der Workflow dahingehend geändert, dass auch

dem Integrations-Team (das aus erfahrenen Inbetriebnahme-Ingenieuren

besteht) erlaubt wurde, selbst Änderungen

an der Automatisierung vorzunehmen. Dieses

Vorgehen erlaubt noch kürzere Upgrade-Intervalle.

Zusammenfassung und Ausblick

In der Öl- und Gas-Industrie in Norwegen ist es inzwischen

übliche Praxis, Simulatoren bei der Planung und

Inbetriebnahme zu benutzen. Die bisher gesammelten

Erfahrungen waren sehr positiv [10].

Derzeit wird die Umrüstung der Gas verarbeitenden Anlage

Kårstø mit dem Simulator geplant und getestet. Hier

ist zusätzlich der kombinierte Betrieb verschiedener Sor-

atp edition

9 / 2011

37

Hauptbeitrag

Referenzen

ten von Controllern zu berücksichtigen. Der Datenumfang

entspricht in etwa dem 3-fachen Volumen der beschrieben

LNG-Anlage in Hammerfest. In Kårstø benutzt Statoil insgesamt

4 Simulatoren für die Prüfung des Leitsystems. Es

musste ein altes Procontic-DCS-System mit einer Konfiguration

vergleichbar der in Hammerfest ausgetauscht werden.

Weiterhin beinhaltet die Anlage Kårstø 800MHI Controller

von ABB, sodass der Simulator auch den 800MHI

Emulator/Softcontroller enthält.

Da es sich um eine laufende Anlage handelt, war der

Fokus auf eine Reduzierung der Abschaltzeiten gerichtet.

Der Simulator ist eine wesentliche Komponente, um sicherzustellen,

dass die Automatisierung und das HSI zum

Zeitpunkt der Umschaltung 100 % korrekt arbeiten.

In Deutschland wird derzeit der Block 4 des Kraftwerkes

Datteln gebaut und virtuell in Betrieb genommen. Es

handelt sich hierbei um ein 1100-MW-Kohlekraftwerk

mit einem sehr hohen Automatisierungsgrad. Als Automatisierungssystem

kommt das 800xA-System der ABB

zum Einsatz mit mehr als 40 PM875 Controllern.

Die bisher gesammelten Erfahrungen zeigen, dass die

virtuelle Inbetriebnahme wie die Inbetriebnahme einer

realen Anlage zu behandeln ist. Das heißt zum Beispiel

auch, dass die Inbetriebnahme-Ingenieure der Verfahrensseite

bei der Integration anwesend sein müssen. Sie

werden benötigt, um die Ursachen für Probleme während

der Inbetriebnahme zu erkennen und angemessen

darauf zu reagieren.

Ein weiterer großer Vorteil ist die Möglichkeit eines

Tests mit „Versuch und Irrtum“. Es ist so möglich Regelstrategien

zu prüfen, die die reale Anlage schädigen

[1] http://www.statoil.com/statoilcom/snohvit/svg02699.nsf?OpenDatabase

&lang=en

[2] Berger, E. et al.: Das Snøhvit-Projekt. Linde Technology, 1:12–23, 2003.

(http://www.linde com/international/web/linde/like35lindede.nsf/repositorybyalias/pdf_lindetechnology_1_2003/$file/Linde_Technology_1_2003_DE.pdf)

[3] http://www.offshore-technology.com/projects /snohvit/snohvit7.html

[4] http://www.fantoft-process-technologies.com /downloads /

Simulators%20Snohvit.pdf

[5] http://www.km.kongsberg.com/ks/WEB/NOKBG0240.nsf/AllWeb/

5552FF4BD0255B25C1256A68002B4CAB?OpenDocument

[6] Krause, H.: Emulator for the digital control system Symphony. ESS'2001,

Simulation in Industry, 13th European Simulation Symposium and Exhibition,

Marseilles (France), October 18th-20th 2001, SCS-Europe Ghent

[7] Krause, H.; Niss, T.: Emulator für das Leitsystem „Melody“ der abb.

VDI-VDE-Aussprachetag „Rechnergestützter Entwurf von Regelungssystemen“,

September 13th/14th 2001, Dresden

[8] Krause, H.: Emulator für das Prozessleitsystem Symphony Melody der Firma

abb. Paper presented during GMA-Congress 2003, June 3rd/4th 2003,

Baden-Baden

[9] Skjerven, Ø., Vist, S.: Snøhvit Lifecycle Simulator from Wellhead through

Pipeline and LNG Liquefaction to Offloading. 15th International Conference &

Exhibition on Liquefied Natural Gas (LNG15), April 24th - 27th 2007, Barcelona.

[10] Fiske, T.: Use and Benefits of Dynamic Simulation for Operator Training

Systems. arC insights, Insight# 2007-38mph, August 9, 2007

könnten. Dadurch kann man zu Lösungen zu kommen,

die besser funktionieren als das, was aus Sicherheitsgründen

eingesetzt wird, da es „schon immer so gemacht“

wurde.

Manuskripteingang

16.02.2011

Autoren

Dipl.-Ing. HerbERT Krause

(geb. 1955) arbeitete seit

1982 bei Hartmann & Braun

im Bereich fortschrittlicher

Regelalgorithmen und der

Entwicklung von Simulations-

und Plant Management

Software. 2001 leitete

er bei ABB die Entwicklung

des AC 870P / Melody Emulators. Er gründete

2006 eine Firma, die hochwertige technische

Software entwickelt und vertreibt.

Secolon,

Schwarzer Weg 8, D-32423 Minden,

Tel. +49 (0) 571 386 48 72,

E-Mail: herbert.krause@secolon.de

Dr. Alexander FriCK

(geb. 1967) leitet die

Abteilung Plant Optimi

zation der ABB AG

(Power Generation).

Er ist seit zehn Jahren

bei ABB.

ABB,

Kallstadter Str. 1, D-68309 Mannheim,

Tel +49 (0) 621 381 45 39,

E-Mail: alexander.frick@de.abb.com

Torgrim SchiEFLOE

(geb. 1967) arbeitet als Area

Sales Manager für Simulator

Lösungen bei ABB Oil & Gas

Norway. Er ist seit 1990 für

ABB in verschiedenen

Automatisierungsprojekten

tätig und seit 2005 betreut er

die Simulator-Lösungen

innerhalb der ABB in Norwegen und weltweit.

ABB,

Ole Deviks vej 10, N-0666 Oslo,

Tel. +47 2287 23 83,

E-Mail: torgrim.schiefloe@no.abb.com


38

atp edition

9 / 2011

SIL

Sprechstunde

3. SIL-Sprechstunde

Funktionale Sicherheit

15. + 16.9.2011, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH

www.sil-sprechstunde.de

Veranstaltungskonzept

Thema

Sie fragen – Experten antworten!

Die SIL-Sprechstunde ist eine offene Dialogveranstaltung,

bei der Sie aufgefordert sind, Fragen und Themen

einzubringen. Diese werden im Expertenkreis diskutiert

oder in interaktiver Gruppenarbeit bearbeitet.

Kleinere Unternehmen bearbeiten oft Aufträge von großen

Anwendern, die in vollem Umfang die Erfüllung der

einschlägigen Sicherheitsnormen (z.B. Functional Safety

Management) einfordern.

Die 3. SIL-Sprechstunde behandelt den Themenbereich

Funktionale Sicherheit in kleinen und mittelständischen

Unternehmen – insbesondere rund um die

Umsetzung der EN 61508/61511.

Zielgruppe & Referenten

Diese SIL-Sprechstunde richtet sich besonders an kleine

und mittelgroße Unternehmen.

Die Veranstaltung wird von profilierten Experten aus

der Praxis moderiert und begleitet, die in renommierten

Unternehmen oder Institutionen tätig sind.

Nutzen Sie Ihre Chance!

Machen Sie die 3. SIL-Sprechstunde zu Ihrer

Veranstaltung und reichen Sie schon jetzt unter

www.sil-sprechstunde.de Ihre individuellen Fragen ein.

Termin & Ort

Die SIL-Sprechstunde ist eine Zweitagesveranstaltung am:

• Donnerstag, 15.9.2011

11:30-17:00 Uhr: Fachreferate

18:30-22:00 Uhr: Abendveranstaltung

• Freitag, 16.9.2011

9:00-14:00 Uhr: Workshops

Pepperl+Fuchs GmbH

Lilienthalstr. 200

68307 Mannheim

Programmablauf

Am ersten Tag stehen Fachvorträge der Referenten auf der

Agenda, während am zweiten Tag die im Vorfeld eingereichten

Diskussionsthemen und Fragestellungen in parallel

laufenden Workshops erarbeitet werden.

Im Rahmen der Veranstaltung finden Sie ausreichend Zeit für

den Meinungs- und Erfahrungsaustausch im Kollegenkreis.

Teilnahmegebühr

Abonnenten der atp edition: € 540,-

auf Firmenempfehlung: € 590,-

reguläre Gebühr: € 690,-

Im Preis sind die Tagungsunterlagen sowie die Verpflegung

im Rahmen der Veranstaltung (Kaffeepausen, Mittagessen,

GetTogether) enthalten.

Veranstalter

Detaillierte Informationen zur Veranstaltung, das

vollständige Programm sowie die Online-

Anmeldung finden Sie im Internet unter

www.sil-sprechstunde.de

SOFORTANMELDUNG PER FAX: +49 (0) 201 / 8 20 02 40

Ja, ich melde mich verbindlich für die 3. SIL-Sprechstunde am 15.-16.9.2011 bei Pepperl+Fuchs in Mannheim an.

Ich beziehe atp edition im Abonnement

Ich beziehe atp edition nicht im Abonnement

Ich komme auf Empfehlung von der Firma: .....................................................................................................................................................................

Firma/Institution

Telefon

Telefax

Titel, Vorname, Nachname

E-Mail

Straße/Postfach

Land, PLZ, Ort

Nummer


✘

Ort, Datum, Unterschrift

Nutzung personenbezogener Daten: Für die Auftragsabwicklung und zur Pflege der laufenden Kommunikation werden personenbezogene Daten erfasst und gespeichert. Mit dieser

Anmeldung erkläre ich mich damit einverstanden, dass ich vom Oldenbourg Industrieverlag oder vom Vulkan-Verlag per Post, per Telefon, per Telefax, per E-Mail, nicht

über interessante, fachspezifische Medien- und Informationsangebote informiert und beworben werde. Diese Erklärung kann ich mit Wirkung für die Zukunft jederzeit widerrufen.

hauptbeitrag

Arbeitsabläufe in der

Anlagenplanung optimieren

IT-Unterstützung für Engineering Workflows

Die Formalisierung und informationstechnische Unterstützung von Geschäftsprozessen

sind heute in größeren Unternehmen Stand der Technik. Der Beitrag zeigt, wie sich die

dort abgebildeten Prozesse grundsätzlich von denen in der Anlagenplanung unterscheiden.

Diese Unterschiede haben bisher eine informationstechnische Unterstützung von

Arbeitsabläufen in der Anlagenplanung verhindert. Die Autoren beschreiben, inwieweit

diese Art der Unterstützung durch Erweiterung und Adaption vorhandener Methoden

erreichbar ist und welche Vorteile bezüglich einer effizienteren Projektabwicklung sich

daraus ergeben.

SCHLAGWÖRTER Arbeitsablauf / Anlagenplanung / Workflow-Management-System /

Engineering Workflow Support System / EWSS

Optimization of Workflows in Plant Engineering –

IT-Support for Engineering

After an introduction to the current situation in formalization and IT support of business

processes, basic differences between business processes and engineering processes for

plant engineering will be shown. Based on these differences which prevent comparable

IT support of engineering processes up to date, it is discussed to which extent methods

available for business process can be enhanced or adapted to the needs of engineering

processes. Finally it is shown how IT support of engineering processes can contribute to

more efficient engineering.

KEYWORDS Workflow / Plant engineering / Workflow Management System /

Engineering Workflow Support System / EWSS

40

atp edition

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Lars Libuda, GEORG GuTERmuth, ABB Forschungszentrum Deutschland

Stefan HeiSS, Georg-Simon-Ohm-Hochschule

Profitables Wirtschaften bildet die Basis jedes

wettbewerbsorientierten Wirtschaftssystems.

Dabei haben die Erstellungskosten im Vergleich

zur Umsatzsteigerung einen größeren

Hebel als allgemein angenommen. Jeder Euro,

der bei Planung, Entwicklung, Herstellung oder Vertrieb

eines Produktes oder einer Dienstleistung eingespart

werden kann, erhöht den Gewinn überproportional:

Bei einer Gewinn-Marge von 10 % entsprechen

einem eingesparten Euro äquivalent 10 Euro mehr Umsatz!

Und je geringer die Marge, desto größer ist der

Hebel von erzielten Einsparungen. Bei 5 % Marge müssen

bereits 20 Euro Umsatz generiert werden, um den

Gegenwert zu einem intern gesparten Euro zu bilden.

Bei 1 % sind es bereits 100 Euro.

Das verdeutlicht, warum es sich lohnt, die Abläufe

in einem Unternehmen auf ihre Effizienz hin zu untersuchen

und zu optimieren. Dieses geschieht schon

in vielen Bereichen durch Optimierung von Geschäftsprozessen

und deren Umsetzung in entsprechenden

Arbeitsabläufen. Gängige Beispiele sind

Einkauf und Personalwesen, wo unter anderem Bestellungen

und Urlaubsanträge durch standardisierte

Arbeitsabläufe abgewickelt werden. Diese Arbeitsabläufe

sind dabei in einer Unternehmenssoftware

abgebildet, die ihre Einhaltung kontrolliert und unterstützt,

indem sie dafür sorgt, dass jeder Beteiligte

an einem Arbeitsablauf zeitgerecht genau die Informationen

erhält, die er für die Erfüllung seines Arbeitsschrittes

benötigt.

In der Domäne des Anlagenbaus gibt es jedoch einen

großen Bereich, in dem diese Art der informationstechnischen

Arbeitsablaufunterstützung kaum genutzt

wird, und das ist die Planung beziehungsweise das

Engineering der Prozessanlagen selbst. Es stellt sich

die Frage, warum das so ist. Denn die Anlagenplanung

ist ein komplexer, stark arbeitsteiliger Prozess mit vielen

involvierten Gewerken, sodass schnell Ineffizienz

aufkommen kann. Dieser Artikel zeigt auf, wie auch

die Anlagenplanung von einer informationstechnischen

Arbeitsablaufunterstützung profitieren kann.

1. Workflow-Management-Systeme

Seit Anfang der 90er-Jahre ist die Optimierung von Geschäftsprozessen

Gegenstand des Geschäftsprozessmanagements

oder Business Process Managements (BPM).

Dabei geht es um die Maximierung der Ausführungseffizienz

und die Ergebnisqualität von Geschäftsprozessen.

Aus diesem Umfeld stammen die folgenden Definitionen,

die in diesem Beitrag verwendet werden und zum großen

Teil aus [1] entnommen sind:

Ein Geschäftsprozess (Business Process) ist eine

zielgerichtete, zeitlich-logische Abfolge von arbeitsteilig

ausgeführten Aufgaben, Arbeitsschritten oder

Aktivitäten (Activities). Hierbei sind in der Regel

mehrere Organisationseinheiten eines Unternehmens

involviert.

Ein Arbeitsablauf (Workflow) ist ein formal beschriebener,

ganz oder teilweise automatisierter

Geschäftsprozess.

1.1 Geschäftsprozesse

Zur Implementierung von formalen Arbeitsabläufen in

informationstechnischen Systemen dienen Workflow-

Management-Systeme (WfMS).

Mit ihrer Hilfe lassen sich Arbeitsabläufe definieren,

standardisiert und teilweise automatisch ausführen und

kontrollieren. Manuelle Arbeitsschritte werden unterstützt,

indem diejenigen Personen, die an einem Arbeitsablauf

beteiligt sind, benachrichtigt werden, sobald sie

ihren Anteil leisten können und genau diejenigen Informationen

erhalten, die sie für die Erfüllung ihres Anteils

benötigen. Somit sind Entscheidungen dokumentiert, der

aktuelle Zustand ist jederzeit abrufbar und Erinnerungen

und weitere Aktionen können automatisch veranlasst

werden. Das gewährleistet eine hohe Effizienz und

Ergebnisqualität.

Workflow-Management-Systeme gehören in größeren

Unternehmen zum Stand der Technik und sind meist

atp edition

9 / 2011

41

Hauptbeitrag

modularer Bestandteil von Enterprise-Resource-Planning-Systemen

(ERP-Systeme) wie SAP. Darin werden

dann beispielsweise Arbeitsabläufe aus dem Bestell- oder

Personalwesen (zum Beispiel Urlaubsanträge) abgebildet

und anschließend von diesem System kontrolliert. Um

die Standardisierung in diesem Bereich kümmert sich

seit 1993 die Workflow Management Coalition [2].

1.2 Anlagenplanung

Gemäß der erwähnten Definition ist auch die Anlagenplanung

ein Geschäftsprozess. Ein wesentlicher Wettbewerbsfaktor

der Anlagenplanung ist eine möglichst kurze

Abwicklungszeit. Viele aktuelle Entwicklungen tragen

aber zu einer Steigerung des Planungsaufwands und damit

zu längeren Abwicklungszeiten bei. Beispiele dafür

sind: die steigende Größe und Komplexität von Anlagen,

strengere und zusätzliche einzuhaltende Vorschriften

(zum Beispiel für Umwelt und Sicherheit), aufwändigere

Technologien für das Engineering (beispielsweise Kommunikationstechnologien

wie Feldbusse) oder neue

Funktionalitäten (zum Beispiel Asset Management). Insofern

macht es Sinn, auch in der Anlagenplanung die

Effizienz und Ergebnisqualität durch den Einsatz eines

Workflow-Management-Systems zu steigern.

Vor allem für die Planung von Serienprodukten gab es

dazu bereits viele Arbeiten in den 90er-Jahren. In den EU-

Projekten JESSI Common-Frame [4] und CONSENS [3,5]

erfolgte die Weiterentwicklung einer speziell auf die Produktentwicklung

ausgerichteten Software-Plattform, welche

unter anderem ein auf die Belange von Planungsabläufen

abgestimmtes Workflow Management Modul beinhaltete.

Dazu gehört auch die Fähigkeit, komplexe, dynamische

und unter Umständen unstrukturierte Prozesse zu

planen und zu steuern [6]. Innerhalb des EU-Projekts CON-

FLOW [6,7] wurde zudem ein Konzept erarbeitet, um das

Änderungsmanagement von Planungsdaten in ein Workflow-Management-System

zu integrieren. Heute gibt es

bereits eine Vielzahl von Produkt-Daten-Management-

Systemen (PDM-Systemen) mit integrierten Workflow Management

Modulen. Der Einsatz von PDM-Systemen ist in

der Produktentwicklung heute Stand der Technik.

Vergleichbares findet sich für die Anlagenplanung

nicht. Hier werden keine Workflow-Management-Systeme

genutzt. Diese kommen erst zum Einsatz, wenn die

Anlagenplanung Ergebnisse liefert, die als Eingangsdaten

für begleitende und bereits modellierte geschäftliche

Prozesse dienen, wie zum Beispiel für die Bestellabwicklung.

Es scheinen somit Unterschiede zwischen Arbeitsabläufen

in der Anlagenplanung und den begleitenden

geschäftlichen Prozessen zu existieren. Um diese im

Folgenden zu unterscheiden, werden weitere Definitionen

eingeführt:

Ein Business Workflow ist ein Geschäftsprozess,

der bereits heute formalisiert in einem WfMS

abgebildet wird (und somit ein Arbeitsablauf

nach obiger Definition ist).

Ein Engineering Workflow ist ein Arbeitsablauf

spezifisch für die Anlagenplanung und bisher

nicht Gegenstand einer formalen Abbildung in

einem WfMS.

Die aufgeführten Beobachtungen werfen somit folgende

Fragen auf:

Was sind grundsätzliche Unterschiede zwischen

einem Engineering Workflow und einem Business

Workflow?

Wäre ein Einsatz von existierenden Workflow-

Management-Systemen in der Anlagenplanung

möglich und lohnend?

Wenn nicht, wie müsste ein Workflow-Management-System

beschaffen sein, um die Anlagenplanung

zu unterstützen?

2. Formalisierung von Engineering Workflows

Um diese Fragen beantworten zu können, ist es sinnvoll,

einen konkreten Anwendungsfall aus der Anlagenplanung

zu betrachten. Im vorliegenden Fall wurde eine Studie im

Bereich der Kraftwerksplanung innerhalb des Gewerks

Elektrotechnik durchgeführt. Ziel der Studie war, die Anforderungen

an eine formale Beschreibung von Engineering

Workflows sowie an Workflow-Management-Systeme

für die Anlagenplanung zu erfassen und letztlich die Arbeitsabläufe

im Gewerk Elektrotechnik anhand der erfassten

Anforderungen formal zu dokumentieren.

2.1. Vorgehensmodell

Dabei kam das in Bild 1 gezeigte iterative Vorgehensmodell

zum Einsatz.

Nach diesem Vorgehensmodell wurde protokolliert, welche

Aktivitäten die Anlagenplanungs-Ingenieure in welcher

Reihenfolge ausführen (Schritt 1). Gleichzeitig wurden in

Interviews ihre Ideen und Anforderungen an eine informationstechnische

Arbeitsablaufunterstützung aufgenommen.

Aus diesen Daten ließen sich im Schritt 2 die Anforderungen

an eine formale Notation für Engineering Workflows

sowie an Workflow-Management-Systeme in der Anlagenplanung

ableiten. Basierend auf den Anforderungen erfolgte

im Schritt 3 der Entwurf einer formalen Notation für

Engineering Workflows und die Dokumentation der im ersten

Schritt erfassten Arbeitsabläufe mit Hilfe dieser formalen

Notation. Schließlich wurden in Schritt 4 die erarbeiteten

Ergebnisse gemeinsam mit den Ingenieuren evaluiert.

Dort wo die Ergebnisse nicht zufriedenstellend waren, erfolgte

eine Iteration der ersten 4 Schritte. Auch Theißen [10]

erwähnt, dass Workflows dieser Komplexität in iterativen

Interviews erstellt werden müssen. Zum Schluss war es in

Schritt 5 möglich, aus den dokumentierten Arbeitsabläufen

ein Objektmodell zu generieren, welches sich informationstechnisch

nutzen lässt. Die Ergebnisse der Schritte 2 und 3

werden nachfolgend erläutert.

2.2.Anforderung an die Formalisierung

Durch die Interviews mit Ingenieuren und die Mitarbeit

in Anlagenbauprojekten (Schritt 1 des Vorgehensmodells

in Bild 1) ließen sich die wesentlichen Eigenschaften von

Engineering Workflows herausarbeiten. Werden diese den

Eigenschaften von Business Workflows gegenüber gestellt,

lassen sich grundsätzliche Unterschiede zwischen beiden

Arten von Arbeitsabläufen erkennen. Diese sind in Tabelle

1 festgehalten.

Wie Tabelle 1 in der Eigenschaft „Wertschöpfung“

zeigt, haben Engineering Workflows grundsätzlich ein

anderes Ziel als Business Workflows. Bei Business

42

atp edition

9 / 2011

Schritt 2:

Ableitung von

Anforderungen an die

formale Notation von

Engineering Workflows

Start

Schritt 1:

Mitarbeit in

Anlagenbauprojekten und

Interviews mit

Ingenieuren

Schritt 3:

Entwurf formaler Notation

und Dokumentation der


Dokumentation

unvollständig

Schritt 4:

Evaluierung mit

Ingenieuren

Dokumentation

vollständig

Schritt 5:

Erstellung eines

Objektmodells für


Ende

BILD 1: Eingesetztes Vorgehensmodell

für die Formalisierung

von Engineering Workflows im

Gewerk Elektrotechnik

Eigenschaft Engineering Workflow Business Workflow

Wertschöpfung

Datenvollständigkeit

Komplexität

Parallelität

Iteration

Daten -

zugriff

Systemkopplung

Das Ziel des Arbeitsablaufes ist die Erzeugung

von konsistenten Planungsdaten für

die zu projektierende Anlage und die

iterative Steigerung der Qualität dieser

Daten (Datenzentrierung).

Aktivitäten eines Arbeitsablaufes müssen

bereits gestartet werden können, auch

wenn noch nicht alle notwendigen Eingangsdaten

zur Verfügung stehen.

Der Arbeitsablauf weist viele Aktivitäten

(> 100) und komplexe Abhängigkeiten

zwischen verschiedenen involvierten

Organisationseinheiten auf.

Die parallele Ausführung von möglichst

vielen Aktivitäten ist ein Hauptprinzip in der

Anlagenplanung um eine kurze Abwicklungszeit

zu erreichen.

Durch Änderungen in den Planungsdaten

können Iterationen häufig und an jeder

Stelle im Arbeitsablauf auftreten. Die

explizite Modellierung dieser Iterationen ist

auf Grund der großen Zahl nicht möglich.

Mehrere Aktivitäten müssen gleichzeitig auf

die gleichen bzw. Kopien der gleichen Daten

zugreifen und evtl. bearbeiten.

Für die Durchführung von Aktivitäten eines

Arbeits ablaufs sind unterschiedliche

Softwarewerkzeuge notwendig, z.B.

CAD-Systeme, Office-Systeme, Simulationssysteme,

etc.

Das Ziel des Arbeitsablaufes ist die korrekte

zeitlich-logische Bearbeitung der im

Arbeitsablauf enthaltenen Aktivitäten

(Aktivitätszentrierung).

Aktivitäten arbeiten nur mit vollständigen

Daten bzw. starten erst, wenn die Eingangsdaten

vollständig sind.

Der Arbeitsablauf weist typischerweise

weniger als 20 Aktivitäten auf und nur

wenige Abhängigkeiten zwischen verschiedenen

Organisationseinheiten.

Die parallele Ausführung von Aktivitäten

ist prinzipiell möglich, wird aber in der

Praxis nur sehr sparsam eingesetzt.

Sequentielle Abfolgen von Aktivitäten

werden bevorzugt.

Iterationen treten sehr selten auf. Wenn

Iterationen vorgesehen sind, werden sie

explizit modelliert.

Zu einem bestimmten Zeitpunkt greift in der

Regel nur eine Aktivität auf einen bestimmten

Datensatz zu.

Der Arbeitsablauf wird in einem Workflow

Management System modelliert und

ausgeführt. Andere Systeme

sind nicht notwendig oder erwünscht.

TABELLE 1: Gegenüberstellung der Eigenschaften von Engineering Workflows und Business

Workflows. Die weiß hinterlegten Eigenschaften haben Auswirkungen auf die formale Notation

von Arbeitsabläufen, die grau hinterlegten Eigen schaften sind für die Implementierung einer

informationstechnischen Unterstützung von Arbeitsabläufen von Bedeutung.

atp edition

9 / 2011

43

Hauptbeitrag

Workflows steht die Abarbeitung der entsprechenden

Aktivitäten in einem exakt vordefinierten Arbeitsablauf

im Vordergrund. Nach einer Diskussion in den

1990er-Jahren [12] sind in Business Workflows heute

die entstehenden Daten von untergeordneter Bedeutung

beziehungsweise dokumentieren lediglich den

Ablauf der Aktivitäten. Bei Engineering Workflows

hingegen steht die Erhöhung der Qualität oder Detaillierung

der Planungsdaten im Vordergrund, wie, beziehungsweise

durch welche Aktivität dies geschieht

ist von untergeordneter Bedeutung.

Betrachtet man weiter die Eigenschaften „Datenvollständigkeit“

und „Iterationen“, so lässt sich erkennen,

dass ein Engineering Workflow einen kreativen Prozess

beschreibt, was die Anlagenplanung schließlich auch

ist. Dahingegen ist ein Business Workflow ein vollständig

vordefinierter administrativer Prozess.

Weitere wichtige Unterschiede finden sich in den Eigenschaften

„Komplexität“ und „Parallelität“. Engineering

Workflows sind erwartungsgemäß komplexer mit verschiedenen

Organisationseinheiten verbunden als Business

Workflows, da die Planung einer Anlage ein umfangreicher,

stark arbeitsteiliger und zeitaufwändiger Prozess ist. Zudem

wird in der Anlagenplanung Wert auf eine starke Parallelisierung

gelegt, denn somit lässt sich die Abwicklungszeit

wirksam verkürzen. Dieses Mittel wird bei Business Workflows

in der Praxis vermieden, was sich auf Grund der geringeren

Komplexität auch leicht umsetzen lässt.

Bedingt durch die Unterschiede in der Eigenschaft

„Parallelität“, existieren auch Unterschiede hinsichtlich

der Eigenschaften „Datenzugriff“ und „Systemkopplung“

zwischen Engineering und Business Workflows.

Die Modellierung und Ausführung von Business Workflows

erfolgt zentral in einem Workflow-Management-

System. Alle Daten und Funktionen werden von ihm zur

Verfügung gestellt und es kontrolliert, dass zu jedem

Zeitpunkt nur jeweils ein Benutzer für eine bestimmte

Manipulation auf die Daten zugreifen kann. Dagegen

werden für Engineering Workflows viele auf eine Aufgabe

spezialisierte Softwarewerkzeuge eingesetzt, auch

wenn in den letzten Jahren immer mehr Firmen versuchen,

auf ein zentrales Engineering Framework mit zentraler

Datenhaltung zu setzen. Außerdem müssen aufgrund

der starken Parallelisierung mehrere Benutzer

gleichzeitig auf die Daten zugreifen und sie auch möglicherweise

ändern können.

Die vorgestellten Eigenschaften lassen sich in zwei

Kategorien einteilen: Eigenschaften, die sich direkt auf

die formale Notation auswirken (in Tabelle 1 weiß hinterlegt)

und Eigenschaften, die sich auf die Implementierung

einer informationstechnischen Unterstützung

der Arbeitsabläufe auswirken (in Tabelle 1 grau hinterlegt).

Hierbei sticht die Eigenschaft „Iteration“ hervor.

Iterationen werden bei Business Workflows immer explizit

modelliert und sind somit Bestandteil der Notation.

Bei Engineering Workflows sind Iterationen nicht

Bestandteil der Notation, stattdessen sind sie in der

Implementierung zu berücksichtigen. Dieser Unterschied

ist darin begründet, dass in Engineering Workflows

Iterationen praktisch an jeder Stelle auftreten

können und es aufgrund derer Komplexität praktisch

unmöglich ist, alle Iterationen explizit zu modellieren.

Petrinetz

VKD

EPK

BPMN

BILD 2: Darstellungen sieben gebräuchlicher Notationen für Business Workflows.

VT -Ingenieure

Vorstudie

Techniker

44

atp edition

9 / 2011

Basic Engineering

Verfahrensfließbild

Aus den vier Eigenschaften, die sich auf eine formale

Notation von Engineering Workflows auswirken, lassen

sich nun Anforderungen formulieren (Schritt 2 des Vorgehensmodells

in Bild 1). Diese sind:

Eigenschaft „Wertschöpfung“: Die Notation muss

eine starke Datenzentrierung aufweisen und dabei

vor allem eine iterative Verfeinerung der Planungsdaten

berücksichtigen.

Eigenschaft „Datenvollständigkeit“: Die Notation muss

ein Element enthalten, welches es erlaubt, eine Aktivität

zu starten, auch wenn noch nicht alle Daten zu ihrer

vollständigen Bearbeitung zur Verfügung stehen.

Eigenschaft „Komplexität“: Die Notation muss für

die Domäne Engineering optimiert sein und die vorhandene

Komplexität übersichtlich darstellen.

Eigenschaft „Parallelität“: Die Notation muss eine

Parallelisierung von Teilarbeitsabläufen effektiv

unterstützen.

3.Formale Notation von Engineering Workflows

Aus den im vorhergehenden Abschnitt ermittelten Eigenschaften

von Engineering Workflows lässt sich eine formale

Notation ableiten (Schritt 3 des Vorgehensmodells

in Bild 1). Hier ist es jedoch sinnvoll, nicht gleich eine

völlig eigene Notation zu entwickeln, sondern zunächst

zu untersuchen, welche Notationen für Business Workflows

bereits existieren. Diese lassen sich möglicherweise

für die Belange von Engineering Workflows adaptieren.

Daher werden zunächst gebräuchliche Notationen vorgestellt,

um daraus anschließend eine für den in Abschnitt

2 vorgestellten Anwendungsfall „Elektrotechnik in der

Anlagenplanung“ geeignete Notation abzuleiten.

3.1. Gebräuchliche Notationen für Business Workflows

Bild 2 zeigt eine Übersicht von sieben gebräuchlichen

Notationen für Workflows: Petrinetz, Vorgangskettendiagramm

(VKD), (erweiterte) ereignisgesteuerte Prozesskette

(EPK), Business Process Modelling Notation

(BPMN), Flussdiagramm oder Programmablaufplan

(FD), UML Aktivitätsdiagramm (UML 2.0 AD) sowie

Koordination, Kooperation & Kommunikation (K3).

Nicht alle sind im engeren Sinne für Business Workflows

konzipiert, wie zum Beispiel Petrinetz für technische

Prozesse oder K3 eher für schwach strukturierte

Arbeitsprozesse [11].

Die wesentlichen Elemente jeder Notation sind Aktivitäten/Aktionen

und (oft optional) Objekte. Über gerichtete

Verbindungen zwischen diesen Elementen entsteht

letztlich ein Fluss. Aktivitäten/Aktionen stellen Tätigkeiten

dar, die entweder von einem Menschen oder einem

Rechner ausgeführt werden können. Objekte stellen

Zustände oder Eingangs- und Ausgangsdaten von Aktivitäten

dar. Tabelle 2 zeigt, inwieweit jede der sieben

Notationen die in Abschnitt 2 beschriebenen Anforderungen

erfüllen.

Keine der untersuchten Notationen für Business

Workflows in Tabelle 2 weist ausschließlich grüne Fel-

Petrinetz

VKD VKD VKD

EPK EPK EPK

BPMN BPMN

VT -Ingenieure

VT -Ingenieure

Techniker

Techniker

Vorstudie

Vorstudie



Basic

Basic

Engineering

Engineering

Skizze

Skizze

R&I

R&I

Prozessdaten

R&I Prozess-

festlegen

R&I

skizzieren

skizzierendaten

festlegen

Skizze

Skizze

R&I mit

R&I mit

Prozessdaten

Prozessdaten

R&I

R&I

zeichnen

zeichnen

...

...

R&I V1

R&I V1

Flussdiagramm UML UML UML 2.0 2.0 2.0

Aktivitätsdiagramm

K3

K3

atp edition

9 / 2011

45

Hauptbeitrag

der auf. Damit erfüllt auch keine Notation die Anforderungen

von Engineering Workflows in ausreichendem

Maße, was auch Killich [9] bereits für UML gezeigt hat.

Deshalb ist es erforderlich, eine eigene Notation zu entwickeln

beziehungsweise die existierenden Notationen

um die fehlenden Punkte zu erweitern. Im Rahmen

dieser Studie wurde somit eine eigenständige Notation

entwickelt, die sich aber an den untersuchten Notationen

orientiert.

3.2. Notation für Engineering Workflows

Die für Engineering Workflows entwickelte Notation

hat zum Ziel, mit möglichst wenigen Elementen alle

Anforderungen an die Modellierung zu erfüllen. Tabelle

3 enthält eine Übersicht über die verwendeten

Notationselemente, die zum großen Teil aus den im

vorhergehenden Abschnitt vorgestellten Notationen

entnommen sind. Die auf diesen Elementen basierende

Notation für Engineering Workflows wurde gemäß

dem Vorgehensmodell (Schritt 3 in Bild 1) genutzt,

um reale Engineering Workflows zu dokumentieren

und somit die Notation auf Vollständigkeit zu überprüfen.

Bild 3 zeigt exemplarisch dafür einen Auszug

aus der Dokumentation des Planungsablaufs für eine

Anlage zur unterbrechungsfreien Stromversorgung

(USV-Anlage) für ein Kraftwerk aus dem Gewerk

Elektrotechnik.

Um der Datenzentrierung von Engineering Workflows

gerecht zu werden, verlangt die Notation eine strenge

alternierende Abfolge von Objekten und Aktivitäten.

Somit stellen Objekte immer Eingangsdaten und Ergebnisse

von Aktivitäten dar. Aktivitäten werden dabei als

Rechtecke mit gerundeten Ecken dargestellt, Objekte

existieren in dreierlei Ausprägungen:

Wertschöpfung

Iterative Datenverfeinerung


Komplexität

Parallelität

Datenzentrierung

Aktionsbeginn

mit unvollständigen

Daten

Für Menschen

optimierte

Darstellung

Spezialisierte

Objektmodellierung

Übersichtliche

und einfache

Darstellung

Flussdiagramm VKD UML2.0 - AD K3 EPK

Objekte (außer

Variablen)

werden nicht

modelliert

Nicht

vorgesehen

Nicht

vorgesehen

Abbildung von

auf Computern

ausführbaren

Algorithmen

Hardware fehlt

Explizite

Modellierung

von Verzweigungen

im Fluss

Fluss findet

ausschließlich in

Funktionsspalte

statt. Daten

(Dokumente)

werden jedoch

standardmäßig

mit den Funktionen

verknüpft

Kontrollfluss findet

nur zwischen

Aktionen statt.

Objektknoten sind

gebräuchlich,

sodass alternativ

auch Objektflüsse

modelliert werden

können

Der Kontrollfluss

verbindet ausschliesslich

Funktionen

miteinander.

Objekte im

Informationsfluss

sind möglich aber

optional

Streng alternierender

Fluss zwischen

Aktionen und

Zuständen - optionale

Modellierung

weiterer Objekte

(Dokument,

Datenspeicher)

Nicht vorgesehen Nicht vorgesehen Nicht vorgesehen Nicht vorgesehen

Aktionen starten

nur sequenziell

– keine Aussage

über Dokumentenzustand

System zur

Darstellung von

Geschäftsprozessen

einer

Organisation

Spalte: Daten

(jedoch nicht

spezialisiert)

Darstellung von

Parallelitäten ist

sehr unübersichtlich

Nicht vorgesehen Nicht vorgesehen Nicht vorgesehen

Graphische

Repräsentation von

Arbeitsabläufen. In

erster Linie wird

der Kontrollfluss

abgebildet

Kein spezieller

Objekttyp ist

ausgezeichnet

Modellierung über

„split“ und „join“

Elemente

Ziel ist es, den

Anwendern einen

Überblick über

komplexe

Arbeitsprozesse

zu geben.

Kein spezieller

Objekttyp ist

ausgezeichnet.

Parallelitäten

benötigen

Synchronisationsbalken

Modellierung von

Geschäftsprozessen

mit Problemen

bei Abbildung

kreativer & komplexer

Tätigkeiten

Hardware fehlt

Nur ein Eingangspfeil

zu einer Aktion.

TABELLE 2: Zu jedem der geforderten Anforderungen aus Abschnitt 2 (links) wird die Mächtigkeit gebräuchlicher

Notationen für Business Workflows (oben) analysiert. Die Farbkodierung reicht von Rot (Möglichkeiten fehlen) über

Gelb (teilweise Unterstützung) bis Grün (gute Unterstützung). Die Gründe sind als Text angegeben.

46

atp edition

9 / 2011

Dokumentsymbol: Dokumente und Dateien, die zwischen

verschiedenen Organisationseinheiten ausgetauscht

werden können.

Datenbanksymbol: Datenmodelle der Anlage oder

von zu bestellenden Ausrüstungsgegenständen, die

in Softwarewerkzeugen abgelegt sind und an denen

mehrere Organisationseinheiten gleichzeitig arbeiten

können.

Hardwaresymbol (Würfel): reale Hardware wie zum

Beispiel ein Schaltschrank oder Rechner.

Alle Typen von Objekten verfügen über eine Unterteilung

in mehrere aufeinander aufbauende Status,

die den Detaillierungsgrad der Objekte modellieren.

Die in Bild 3 eingezeichnete orange-farbige Umrandung

kennzeichnet beispielsweise das Datenmodell

einer USV („Comos DB Compact UPS“) in verschiedenen

Status beziehungsweise Detailierungsstufen

Petrinetz

Konnektoren verbinden

immer Transitionen

(Aktionen) und

Zustände - bei attributierten

PN können die

Konnektoren Objekte

transportieren

Modellierbar über

mehrere Tokens

Möglich aber nicht

übersichtlich durch die

Verwendung mehrerer

Tokens

PNs sollen auf

Computern ausführbare

Algorithmen

abbilden und sind nicht

für Menschen optimiert

Attribute von Konnektoren

sind unspezifisch

Nebenläufigkeit ist

wichtig – Verzweigungen

im Fluss

sind platzsparend

darstellbar

BPMN

„Sequence Flow“

verbindet nur

Aktivitäten. Diese

können mit Objekten

verknüpft werden,

aber nur 25 % der

Benutzer nutzen

diese Möglichkeit [8]

Nicht vorgesehen

Vorherige Aktion

muss abgeschlossen

sein

BPMN dient zur

Modellierung von

Geschäftsprozessen

und Arbeitsabläufen

gerade auch für

Menschen

Dokument, Datensatz

und physisches

Objekt

Events unterstützen

Parallelitäten

wie zum Beispiel „For Cable Sizing“. Der Statusname

ist dabei kursiv im Symbol eingetragen. Hat ein Objekt

nur einen einzigen Status, so wird dieser nicht

in der Grafik dargestellt. Status wurden eingeführt,

um eine möglichst starke Parallelisierung des Arbeitsablaufs

zu unterstützen. Die Status sind so gewählt,

dass die in jedem Status enthaltenen Informationen

ausreichen, um möglichst viele parallele Aktivitäten

starten zu können. Dies ist letztlich das

Kriterium, welches zu der in Bild 3 gezeigten Granularität

der Modellierung führt.

Aktivitäten und Objekte sind über gerichtete Kanten

miteinander verbunden. Von diesen Kanten gibt es drei

Arten, die über die Pfeilspitzen zu unterscheiden sind

und deren Bedeutung in Tabelle 4 wiedergegeben ist.

Die Arten der Kanten erlauben es der Modellierung,

die Fortsetzung des Arbeitsablaufs mit nur unvollständigen

Daten darzustellen. Ein oft auftretendes Beispiel

für diesen Fall ist die Vorabbestellung von elektrotechnischen

Ausrüstungsgegenständen, wie zum Beispiel

Transformatoren, bevor die dafür notwendige technische

Spezifikation vollständig ist. Somit wird im Falle

langer Lieferzeiten sichergestellt, dass die Ausrüstung

noch während der Projektlaufzeit angeliefert

werden kann.

Entscheidungen und Iterationen sind im Vergleich

zu den anderen Notationen aus Tabelle 2 nicht explizit

dargestellt, jedoch können letztere in jeder Aktivität

auftreten, wenn sich die Inhalte von den mit dieser

Aktivität verbundenen eingehenden Objekten ändern.

Alternative Fortsetzungen des Arbeitsablaufs, Pfade,

sind allerdings modellierbar und in Bild 3 über die

Kantendarstellung visualisiert. Der Standardpfad ist

durch durchgehende Kanten gekennzeichnet, alternative

Pfade durch gestrichelte. Die alternativen Pfade

müssen an deren ersten Kante durch Bedingungen annotiert

werden, die erfüllt sein müssen, damit dieser

Pfad gewählt werden kann. Sind diese Bedingungen

nicht erfüllt, wird der Arbeitsablauf über den Standardpfad

fortgesetzt.

Die weiteren Notationselemente wurden unverändert

aus einzelnen existierenden Notationen übernommen:

Mit Hilfe der Schwimmbahnen lassen sich, wie auch

in BPMN oder UML 2.0 Aktivitätsdiagramm, Verantwortlichkeiten

zwischen verschiedenen in den Arbeitsablauf

involvierten Organisationseinheiten trennen

(unterschiedlich gefärbte Bereiche in Bild 3). Die

Schwimmbahnen lassen sich in beliebiger Tiefe ineinander

verschachteln.

Die verbliebenen Elemente Start- und End-Knoten,

Verweise, Kommentare sowie die Möglichkeit zur hierarchischen

Strukturierung sind auch in anderen Notationen

gebräuchlich und werden wie in Bild 3 abgebildet

dargestellt.

Mit diesen wenigen Notationselementen können alle

Anforderungen an die Eigenschaften von Engineering

Workflows erfüllt werden. Allerdings erfolgt die Modellierung

von Engineering Workflows im Vergleich zu

Business Workflows auf einer anderen Abstraktionsstufe.

Der Hauptgrund dafür liegt in der Fokussierung auf

die auszutauschenden Daten und nicht auf die Aktivitäten,

Entscheidungen und Iterationen

Über die Darstellung der Notation hinaus wird aber

auch deutlich, dass Engineering Workflows einen anderen

Charakter besitzen als Business Workflows. Auf

atp edition

9 / 2011

47

Hauptbeitrag

Tabelle 3: Übersicht über die verwendeten Notationselemente. Die Erweiterungen

Tabelle gegenüber den existierenden Notationen für Business Workflows betreffen die

3:

ersten vier 3: Übersicht über

Einträge: über die

Objekt, die verwendeten

Status, Notationselemente.

Aktivität Die

und Datenfluss. Die Erweiterungen

Tabelle

gegenüber 3: Übersicht

den

den existierenden über die verwendeten

Notationen für

für Notationselemente.

Business Workflows Die Erweiterungen

betreffen die

die

Notations- Tabelle Notationselement

Notations-

Erläuterung

gegenüber

gegenüber

ersten vier

vier Einträge:

3: Übersicht den existierenden

Objekt,

über Status,

Symbol die verwendeten Notationen

Aktivität für

und

Notationselemente. und Business Verknüpfte

Datenfluss.

Workflows

Verknüpfte Die Erweiterungen

betreffen die

element

Symbol

Erläuterung

Tabelle ersten vier 3: Übersicht Einträge: den existierenden über Objekt, die Status, verwendeten Notationen

Aktivität

für Notationselemente. und Business Eigenschaft

Datenfluss.

Die Erweiterungen

Tabelle Verknüpfte

3: Übersicht über Symbol die verwendeten Notationselemente. Eigenschaft Workflows betreffen die

Die Erweiterungen

Notations-

gegenüber ersten vier Einträge: den existierenden Objekt, Erläuterung

element

Status, Notationen Aktivität für und Business Datenfluss.

Workflows betreffen die

Objekt gegenüber den existierenden Notationen für Wertschöpfung

Wertschöp-

Eigenschaft

Verknüpfte

Datenfluss. (Daten-

deren Es Instanzen gibt explizit reale Dokumente Typen / Dateien, von Objekten, Da-

Eigenschaft

Business Verknüpfte

Wertschöpfung

Workflows Es gibt betreffen explizit die verschiedene Typen von Objekten,

ersten vier Einträge: Objekt, Symbol Status, Aktivität und Datenfluss. Erläuterung

Notationselemenzentrierung),

Symbol

Wertschöpfung

Eigenschaft tenmodelle oder Hardware beschreiben. (Datenelement

ersten vier Einträge: Objekt, Status, Aktivität und Objekt

deren Instanzen reale Dokumente / Dateien,

Notationselement

Symbol

Datenmodelle oder Hardware beschreiben.

Symbol

Es Verknüpfte Erläuterung

gibt explizit verschiedene Typen von Objekten,

Notationselement

Wertschöp-

Verknüpfte

Erläuterung

Es deren gibt Instanzen explizit verschiedene reale Dokumente Typen / Dateien, von Objekten, Datenmodelle

Instanzen oder verschiedene

Objekt

Komplexität

fung zentrierung),

Eigenschaft Erläuterung

Eigenschaft Es

sind

gibt

weiß

explizit

hinterlegt.

Objekt

(Datenzentrierung),

Komplexität Es gibt explizit verschiedene Typen von Objekten,

deren Hardware reale Dokumente beschreiben. Typen / Dateien, von Objekten,

Objekte

Da-

Objekte sind weiß hinterlegt.

Wertschöp-

Wertschöpfunzentrierung),

Parallelität,

Komplexität (Daten-

deren

fung

Objekt

(Daten-

Es deren Jedes tenmodelle sind weiß

gibt Instanzen hinterlegt.

explizit oder kann Hardware

verschiedene reale zusätzlich Dokumente beschreiben. verschiedene

Typen / Dateien, Zustände

sind Jedes Instanzen (Status)

von Objekten, Datenmodelle

Status fung

Parallelität,

Jedes Objekt kann zusätzlich Objekt

(Datenzentrierung),

Komplexität

Wertschöp-

Parallelität, tenmodelle

deren Instanzen oder annehmen, Hardware reale Dokumente

reale Dokumente beschreiben. die / Detaillierungsgrad

weiß hinterlegt. wiederspiegeln oder Hardware und beschreiben. in kursiv angemerkt Objekte

Jedes stände Objekt (Status) oder

Dateien, Da-

weiß Objekt hinterlegt. kann zusätzlich verschiedene Dateien, Objekte Zu-

Objekt Status

Dazentrierung),

Wertschöpfung

Zustände (Status) annehmen, die den tenmodelle sind kann annehmen, Hardware

zusätzlich die

beschreiben. verschiedene Detaillie-

Objekte

Zuständrungsgrad

(Status) wiederspiegeln annehmen, und die in kursiv

Status

Detaillie-

Komplexität

fung

rungsgrad Komplexität sind Jedes

sind. weiß Standardmäßig

weiß Objekt

hinterlegt.

hinterlegt. kann wiederspiegeln zusätzlich

besitzt jedes

verschiedene

Objekt genau

Parallelität,

Wertschöp-

und Detaillierungsgrad

sind. Standardmäßig Objekt

angemerkt

in kursiv Zustände

angemerkt

Status

Parallelität,

Wertschöpfunständfung

Jedes

sind. Standardmäßig besitzt jedes Objekt Jedes

einen Status.

Objekt (Status) wiederspiegeln kann

kann annehmen, zusätzlich besitzt

zusätzlich und die

jedes verschiedene in

verschiedene kursiv Objekt Detaillierungsgrad

Jede sind. einen Standardmäßig Aktivität Status.

(Status)

angemerkt genau

Zu-

Zustände

genau

Status

Parallelität,

einen Status.

Parallelität,

Wertschöpfunrungsgrad

(Status) wiederspiegeln erhält annehmen, Eingangsdaten besitzt

annehmen, und die jedes

die den

den kursiv Objekt Detaillie-

und

Detaillierungsgrad

sind. Ausgangsdaten. wiederspiegeln kursiv angemerkt

angemerkt erzeugt genau

Status

Wertschöp-

Status

Wertschöpfung

(Daten-

Jede Ausgangsdaten.

einen Jede

Standardmäßig Eingangswiederspiegeln

besitzt und

und jedes Ausgangsdaten

Aktivität Status. erhält Eingangsdaten in kursiv Objekt

und erzeugt

angemerkt

genau

Aktivität

fung Wertschöpfung

sind. Jede Aktivität erhält Eingangsdaten und sind. einen werden Standardmäßig besitzt jedes Objekt genau

Aktivität

Standardmäßig Status. durch Objekte modelliert. Somit besteht

Aktivität erhält Eingangs- Eingangsdaten und

besitzt Ausgangsdaten

Wertschöpfung

(Daten-

Jede werden durch Objekte modelliert. Somit Jede Ausgangsdaten. werden der Abfolge Aktivität von erhält

jedes und erzeugt erzeugt

Objekt genau

(Daten-

einen Ausgangsdaten. einen Jede der Status.

zentrierung)

Ausgangsdaten. werden Engineering Aktivität Status. erhält Workflow Eingangsdaten Eingangs- aus einer und und alternieren-

Wertschöp-

durch Objekte Eingangs- modelliert. und Ausgangsdaten

Somit Ausgangsdaten

besteht

Aktivität

erzeugt

Aktivität erhält Eingangs- Objekten Eingangsdaten und

Eingangsdaten und Aktivitäten. Ausgangsdaten

und erzeugt Aktivitäten

der den sind

Aktivität

und erzeugt besteht der

Wertschöpfunzentrierung)

(Daten-

Engineering Abfolge von Workflow Objekten modelliert. aus und einer Aktivitäten. Somit alternieren-

besteht

fung (Daten-

Engineering durch Objekte Workflow modelliert. aus einer Somit alternierenzentrierung)

besteht

Ausgangsdaten. aus einer alternierenden

Wertschöpfung

(Daten-

werden der Ein täten durch modelliert. Somit besteht

Ausgangsdaten. werden durch

grau

Objekte

hinterlegt. Eingangs- Ausgangsdaten

Aktivität

Eingangs- und Ausgangsdaten

Wertschöpfunzentrierung)

Objekt Engineering Abfolge sind grau und von eine hinterlegt.

Workflow Objekten Aktivität aus und werden einer Aktivitäten. alternieren-

durch Aktivi-

eine

Aktivi-

werden und Aktivitäten

Aktivität

durch Objekte modelliert. Somit besteht

Aktivität

(Daten-

der sind grau hinterlegt.

zentrierung) der den gerichtete täten Ein Engineering

Engineering Abfolge Kante von Workflow

Workflow Objekten miteinander aus

aus und verbunden. einer

einer Aktivitäten. alternierenden

Abfolge von Objekten und Aktivitäten. Aktivi-

Von

alternierendetäten

gerichteten Ein Abfolge sind grau Kanten

Aktivi-

den

Objekt sind grau und eine hinterlegt. Aktivität werden durch eine

zentrierung)

Datenvollstän-

Datenfluss

Daten-

Ein Objekt

von hinterlegt. existieren drei Typen, unterschieden

Objekt durch sind grau und eine die miteinander Pfeilspitze,

Datenfluss

Objekt und eine miteinander

und

Objekten Aktivität werden verbunden.

eine Aktivität

und durch Von

Aktivitäten. eine den

werden durch

Aktividigkeit


vollständigkeit gerichtete Kante miteinander verbunden. Von den

Ein Objekt und eine Aktivität werden durch eine

eine

täten sind grau hinterlegt.

täten Ein hinterlegt. Aktivität werden verbunden. deren durch Bedeutungen

gerichteten in

Von eine den

gerichteten Kanten existieren drei Typen, unterschieden

durch die Pfeilspitze, deren Bedeutun-


gerichteten Kante Kanten miteinander existieren verbunden. drei Typen, Von den unter-

gerichteten Tabelle schieden gen in

durch 4

Datenfluss

Datenvollstän-

Ein Objekt Kanten

und eine miteinander existieren

Aktivität werden verbunden. drei Typen,

durch Von unter-

eine den

Datenfluss

Kante Kanten beschrieben die

miteinander existieren Pfeilspitze, sind.

verbunden. drei deren Typen, Bedeutungen

Standardpfad in

Von unterschieden

Der

Datenfluss

den

schieden durch die Pfeilspitze, deren Bedeutungen

Datenvollstän-

gerichteten Kanten existieren drei Typen, unter-

Datenfluss

Datenvollständigkeischiedegen

Kante Tabelle Der in dargestellt. durch 4 beschrieben die Ausgehend Pfeilspitze, sind. von deren einem Bedeutun-

Standigkeit

gerichteten Kanten existieren drei Typen, unter-

Datenfluss

Tabelle 4 beschrieben sind.

digkeit

schieden Tabelle durch durch 4 beschrieben die wird Pfeilspitze, immer sind.

die Pfeilspitze, mit deren durchgezogener

Bedeutun-

deren Bedeutungen

Standardpfad wird in

immer mit durchgezogener

gen Tabelle dardpfad

Alternative

Daten-

Datenvollständigkeit,

Kante dardpfad durch eine gestrichelte

Der Kante in Der Standardpfad

kann 4 beschrieben ein alternativer

wird sind. immer

Pfad

mit

abzweigen,

Standardpfad dargestellt. Ausgehend wird immer mit von durchgezogener

einem Stan-

durchgezogener

Alternative

Pfade

vollständigkeit,

Kante dargestellt. Ausgehend Tabelle

Tabelle

Der der Standardpfad beschrieben sind.

beschrieben wird immer Kante

sind. mit symbolisiert

dargestellt. kann ein Ausgehend alternativer von Pfad durchgezogener

einem abzweigen,


abzweigen, der

von einem Standardpfad

der

Standard-

Alternative Pfade

Der Standardpfad wird immer mit

Pfad durchgezogener

Der Kante wird. Jeder

Standardpfad dargestellt. alternative Ausgehend Pfad muss

wird immer mit von zu

durchgezogener

einem seinem Standardpfad

Be-

Komplexität

Datenvollstän-

durch kann eine gestrichelte ein alternativer Kante Pfad symbolisiert

Alternative Pfade

Kante

durch dargestellt.

eine gestrichelte Ausgehend

Kante von einem

symbolisiert Standardpfad

Datenvollstän-

Jeder kann


Komplexität

mit Jeder einer alternative Bedingung Pfad annotiert muss zu sein, seinem die erfüllt

Be-

der durch einer Bedingung gestrichelte

Kante

ginn mit einer

dargestellt. kann

Bedingung

ein Ausgehend alternativer

annotiert

von Pfad

sein,

einem abzweigen,

die erfüllt

der wird.

digkeit,

durch Jeder alternative gestrichelte Pfad Kante muss symbolisiert

zu seinem Beginn

Komplexität

Stan-

wird.

Alternative Pfade

alternative ein alternativer muss Pfad

zu abzweigen,

dardpfad der

sein wird. durch

muss,

kann um

gestrichelte

diesen ein alternativer Kante

zu wählen.

Pfad symbolisiert

Andernfalls

abzweigen, seinem Beginn mit

Alternative


Komplexität

muss, mit einer um Bedingung diesen Pfad annotiert zu wählen. sein, Andernfalls

die erfüllt

wird. muss, Jeder

annotiert Kante

sein, symbolisiert

Alternative Pfade

digkeit, der wird.

wird ginn sein der

durch Jeder

Standardpfad

eine alternative gestrichelte gewählt.

Kante muss symbolisiert

zu die seinem erfüllt Beginn

Trennung sein muss, mit Jeder einer

sein

Pfade

um alternative

diesen zu muss

wählen. zu seinem

Andernfalls Beginn

Pfade

Komplexität wird.

Standardpfad der um

alternative Bedingung Verantwortlichkeiten diesen Pfad gewählt.

Pfad annotiert zu wählen.

muss zu sein, zwischen Andernfalls

seinem die erfüllt verschiedenen

wird Trennung

Schwimmbahn

Parallelität

Be-

Komplexität,

wird

der mit einer

Standardpfad Bedingung

gewählt.

annotiert sein, die erfüllt

ginn sein muss, mit einer um den

Bedingung diesen Arbeitsablauf Pfad annotiert zu wählen. involvierten

sein, Andernfalls Or-

der Standardpfad der Verantwortlichkeiten gewählt. zwischen verschiedenen

der in Verantwortlichkeiten den Arbeitsablauf involvierten

die erfüllt

Schwimm-

sein muss, um diesen Pfad zu wählen. Andernfalls

sein wird ganisationseinheiten. der muss, Standardpfad Diese

um diesen Pfad gewählt. können verschieden

Komplexität,

Trennung

zu wählen. zwischen Organisationseinheiten.

Arbeitsablauf Diese können

Andernfalls

verschiedenen

hinterlegt

Schwimm- Schwimmbahn

Komplexität,

wird Trennung der Standardpfad der gewählt.

wird Trennung farbig

der Standardpfad der Verantwortlichkeiten den sein.

Parallelität

gewählt.

involvierten zwischen

verschieden

zwischen Organisationseinheiten.

farbig hinterlegt der in Verantwortlichkeiten von sein.

Arbeitsablauf Start Diese und können Ende involvierten eines verschieden Arbeits-

verschiedenen

Kennzeichnung bahnSchwimm-

bahn

Komplexität,

Parallelität schiedenen ablaufs.

/

farbig Kennzeichnung hinterlegt von sein.

Start /

Komplexität,

Trennung verschiedenen der Verantwortlichkeiten in den Arbeitsablauf zwischen involvierten

ver-

Parallelität

Trennung zwischen Or-

ver-

Schwimmbahn

/

Parallelität

ganisationseinheiten. farbig hinterlegt sein.

Diese können verschieden

bahn

Parallelität ganisationseinheiten. farbig Mit Kennzeichnung ablaufs. Hilfe hinterlegt von Verweisen von sein. Start lassen und Ende sich Verbindungen

eines Arbeits-

Start Ende

Komplexität,

schiedenen Organisationseinheiten. den Arbeitsablauf Diese involvierten können verschieden

Or-

Schwimm-

in den Start

Arbeitsablauf Diese

und können

Ende eines

involvierten verschieden

Arbeits-

Or-

Start Ende

Diese können verschieden

Verweis Start Ende /

Komplexität

Komplexität

Start / Ende farbig

Kennzeichnung hinterlegt sein.

farbig Kennzeichnung zwischen ablaufs. Mit Teilarbeitsabläufen

hinterlegt von sein. Start und herstellen, Ende eines die Arbeits-

von Start und Ende

Start /

Hilfe von Verweisen lassen sich Verbindungen

Verweis

Kennzeichnung eines Arbeitsablaufs.

von Start und Ende eines Arbeitsablaufs.

Start Ende

Kennzeichnung ablaufs. verschiedenen Mit Hilfe von Verweisen Diagrammen lassen dokumentiert sich Verbindungen sind.

Komplexität

zwischen Teilarbeitsabläufen herstellen,

von Start und die

Ende eines Arbeits-

Verweis

Ende

Komplexität

Ende

ablaufs. Mit Kommentare zwischen verschiedenen Hilfe von Teilarbeitsabläufen Verweisen zu Diagrammen einzelnen lassen Objekten dokumentiert herstellen, sich Verbindungen

oder die Aktivitäten

verschiedenen Kommentare bestehen

sind.

Verweis

Kommentar

Komplexität

zwischen

Verweis

Mit Hilfe Mit Hilfe von Verweisen von Verweisen lassen lassen sich sich Verbindungen

Komplexität Mit zwischen Hilfe von Teilarbeitsabläufen aus Diagrammen einem gelb dokumentiert

Verweisen lassen herstellen, hinterlegten

sich Verbindungen Verbindungen

die Recht-

zu einzelnen Objekten oder Aktivitä-

sind.

Kommen-

Verweis

zwischen Teilarbeitsabläufen herstellen,

herstellen, die Verweis

zwischen verschiedenen eck.

Kommentare ten bestehen zu aus

Teilarbeitsabläufen Diagrammen einzelnen einem gelb Objekten dokumentiert

hinterlegten oder Aktivitäteeck.

bestehen zu aus

herstellen, Recht-

Komplexität

die sind.

die in

Kommentar

Kommentare zu einzelnen Objekten oder Aktivitätar

verschiedenen Diagrammen dokumentiert sind.

Komplexität verschiedenen Kommentare Diagrammen einzelnen einem gelb Objekten hinterlegten

dokumentiert oder Aktivitäten

Jede eck. bestehen Aktivität

Recht-

sind. sind.

Kommen-

Kommentar Kommentare Kommentare zu aus kann

einzelnen einem prinzipiell gelb aus

zu einzelnen Objekten hinterlegten Unteraktivitäten

Objekten oder oder Aktivitäteeck.

aufgebaut Jede sein. Ebenso können beliebige Aktivitä-

Aktivität

Recht-

Hierarchie Kommentar

Komplexität

eck. ten hierarchisch zu einer übergeordneten zusam-

/

Komplexität

ten bestehen aus einem gelb hinterlegten Recht-

Kommen-

/

Komplexität bestehen kann

Aktivitäten

aus prinzipiell

bestehen

einem aus

gelb aus

hinterlegten Unteraktivitäten

Hierarchie einem gelb hinterlegten

Rechteck.

Unteraktivitar

Jede aufgebaut sein. kann Ebenso prinzipiell können aus beliebige Unteraktivitäten Aktivitä-

Hierarchie Unteraktivitätetäten

/

Jede

mengefasst aufgebaut Rechteck.

Aktivität sein. werden.

kann Ebenso prinzipiell

Dieses können wird

aus beliebige durch

Unteraktivitäten

ein Aktivitäten

hierarchisch

Hierar-

Komplexität

ten hierarchisch zu einer übergeordneten zusam-

Hierarchie Hierarchie Unteraktivitäten

Komplexität aufgebaut ten mengefasst chiesymbol hierarchisch

/ /

Komplexität

Komplexität

Jede

Jede Aktivität

Aktivität kann

kann prinzipiell

prinzipiell aus Unteraktivitäten

Jede aufgebaut

chiesymbol

Aktivität sein.

innerhalb

kann Ebenso zu einer der

prinzipiell können übergeordneten Aktivität

aus beliebige

dargestellt.

mengefasst werden. Dieses wird durch ein

Unteraktivitäten

aus Unteraktivitäten

zusam-

Aktivitä-

Hierar-

Unter-

Hierarchie /

aufgebaut

aufgebaut sein.

sein. Ebenso

Ebenso können

können beliebige

beliebige Aktivitäten

hierarchisch zu

Hierarchie Unteraktivitäten

Komplexität ten mengefasst chiesymbol innerhalb

innerhalb werden.

sein. Ebenso zu einer Dieses der können übergeordneten

Aktivität wird durch dargestellt. ein

beliebige zusam-

Hierar-

Aktivitä-

Aktivitäten

aktivitäten

Unteraktivi-

Komplexität

zu einer übergeordneten zusammengefasst

werden. Dieses wird durch ein Hierar-

Unteraktivitätemengefasschiesymbol

innerhalb werden. Dieses der Aktivität wird durch dargestellt. ein Hierar-

Hierarchiechiesymbol

innerhalb der Aktivität dargestellt.

hierarchisch werden. zu einer Dieses der Aktivität

übergeordneten wird durch dargestellt. ein zusam-

Hierar-

zusammentätechiesymbol

innerhalb der Aktivität dargestellt.

TABELLE 3: Übersicht über die verwendeten Notationselemente. Die Erweiterungen gegenüber den existierenden

Notationen für Business Workflows betreffen die ersten vier Einträge: Objekt, Status, Aktivität und Datenfluss.

48

atp edition

9 / 2011

Customer

Start

Customer

Specification

Requires

customer

approval

Working

schedule

Create component

model

For Power

Balance & SLD

COMOS DB

Compact UPS

For Power

Balance & SLD

Update SLD

visualization

COMOS DB

SLD

ABB Offer

Compare

customer

specs with offer

List of

deviations

Compact UPS

Single Line

Diagram

707.01 Single

Line Diagrams

Electrical Engineering

COMOS DB

Consumer

Basic

707.02 Load

List Handling

COMOS DB

Compact UPS

Power Balance

Calculate Load

Balance

Compact UPS

Estimate

dimensions,

weight, losses

Load Balance

Compact UPS

COMOS DB

Civil Data

Specify

Compact UPS

707.09 Civil

Input Data

Comp. ordered or

Comp. engineered

Cable List

Compact UPS

Basic

707.08 Cable

Handling

Tech. Spec .

Compact UPS

Inquiry

Tech. Spec .

Compact UPS

Change Order

With P.O.

for Design

732-1a Procurement

732-1b Procurement

732-2 Manufacturing

Create component

model

For Cable

Sizing

COMOS DB

Compact UPS

For Cable

Sizing

707.07 Cable

Sizing

COMOS DB

Compact UPS

For Detailed

Model

707.02 Load

List Handling

COMOS DB

Compact UPS

Detailed Model

7xx-3 Interface

Engineering

BILD 3: Auszug aus der Dokumentation des Arbeitsablaufs für die Planung einer USV-Anlage

mit Hilfe der neu entwickelten Notation für Engineering Workflows. Der genaue Inhalt ist im

Rahmen dieses Artikels nicht relevant. Die orange Markierung umfasst das Datenbankmodell

einer Kompakt-USV („Comos DB Compact UPS“) in 5 aufeinander aufbauenden Status.

belle 4: Bedeutung der verschiedenen Pfeilköpfe in der Notation von

belle gineering 4: Bedeutung Workflows der verschiedenen Pfeilköpfe in der Notation von

belle

gineering

4: Bedeutung

Workflows

der verschiedenen Pfeilköpfe in der Notation von

Ausgang einer Aktivität gineering sgang einer Workflows Aktivität Pfeilkopf Eingang einer Aktivität

s sgang einer Aktivität Das ausgehende Objekt

Pfeilkopf Es gibt Eingang explizit verschiedene einer Aktivität

sgang ausgehende einer Aktivität Objekt muss von Verpflichtend Pfeilkopf (gefüllter Pfeilkopf) Eingang Das eingehende einer Aktivität Objekt Typen ist von für

r Aktivität ausgehende bei jedem muss Objekt von Durchlauf muss der Aktivität von Verpflichtend (gefüllter Pfeilkopf) Objekten, Das den deren Start eingehende Instanzen der Aktivität Objekt reale erforderlich.

Start Datenmodelle der Aktivität oder erforder-

Hardware

Dokumente

/ Dateien, den

ist für

s ausgehende Objekt muss von Verpflichtend (gefüllter Pfeilkopf) Das eingehende Objekt ist für

llständig Aktivität als bei Ergebnis jedem bei jedem Durchlauf geliefert

r Aktivität bei jedem

llständig als Ergebnis vollständig Durchlauf

geliefert als Ergebnis

beschreiben. den Start der Aktivität erforderlich.

sind weiß hinterlegt.

rden.

lich.

llständig als Ergebnis

rden. geliefert geliefert werden.

Objekte

rden.

s ausgehende Objekt muss von Erforderlich (ungefüllter Pfeilkopf) Das eingehende Objekt ist für

r Aktivität ausgehende mindestens Das Objekt ausgehende einmal muss von vollndig

als Ergebnis geliefert werden.

Aktivität erforderlich, nicht je-der

r Aktivität mindestens

Objekt Erforderlich (ungefüllter Pfeilkopf) Jedes Das den Objekt erfolgreichen eingehende kann zusätzlich Objekt Abschluss verschiedene ist für der

s ausgehende Aktivität mindestens muss Objekt von muss

einmal der Aktivität von Erforderlich (ungefüllter Pfeilkopf)

vollndig

als Ergebnis mindestens einmal

Zustände Das

den (Status) eingehende

erfolgreichen annehmen, Objekt

Abschluss die den ist für

geliefert einmal vollndig

als Ergebnis vollständig geliefert als werden. Ergebnis

kursiv Aktivität

werden.

Detaillierungsgrad den erfolgreichen

Aktivität erforderlich, wiederspiegeln Abschluss

nicht und je-idoch

der

doch für den Start.

angemerkt erforderlich,

für den

sind.

Start.

Standardmäßig nicht jedoch

s ausgehende Objekt kann von Optional (Strichpfeilkopf)

geliefert werden.

besitzt

Das eingehende

jedes für Objekt den genau Start.

Objekt ist für

einen Status.

r Aktivität ausgehende als Ergebnis Objekt kann geliefert von Optional (Strichpfeilkopf)

Das die Aktivität eingehende nicht Objekt zwingend ist für

s ausgehende Aktivität als Ergebnis Das Objekt ausgehende kann von

geliefert Objekt Optional (Strichpfeilkopf) Jede Aktivität Das eingehende

die Aktivität erhält nicht Eingangsdaten Objekt ist

zwingend und für

rden.

erforderlich, muss jedoch berücksichtig

werden, wenn be-

es

r Aktivität als Ergebnis

rden. kann von geliefert der Aktivität

erzeugt die

erforderlich, Ausgangsdaten. Aktivität nicht

muss Eingangs- zwingend

jedoch und

rden. als Ergebnis geliefert

Ausgangsdaten erforderlich, werden muss durch jedoch Objekte berücksichtig

Somit besteht werden, der wenn Engineering es

rücksichtig werden, wenn es

werden.

modelliert.

vorkommt.

Workflow

vorkommt.

vorkommt. aus einer alternierenden Abfolge

von Objekten und Aktivitäten. Aktivitäten

sind grau hinterlegt.

TABELLE 4: Bedeutung der verschiedenen Pfeilköpfe in der Notation von Engineering Workflows

atp edition

9 / 2011

49

Hauptbeitrag

Grund des kreativen Charakters von Planungsprozessen

müssen auch weiterhin die Details, wie beispielsweise

bestimmte Aktivitäten durchzuführen sind, den Ingenieuren

überlassen werden.

4. Nutzen von Workflow-Management-Systemen

in der Anlagenplanung

Die im vorherigen Abschnitt vorgestellte Notation für Engineering

Workflows lässt sich in ein informationstechnisch

nutzbares Objektmodell umwandeln (Schritt 5 im

Vorgehensmodell in Bild 1), beispielsweise basierend auf

einem entsprechenden XML-Schema. Arbeitsabläufe, wie

in Bild 3 grafisch dargestellt, sind dann entsprechend in

einer dem Schema folgenden XML-Datei hinterlegt. Somit

lassen sich die Arbeitsabläufe informationstechnisch nutzen.

Doch lohnt sich diese Nutzung überhaupt?

Die Modellierung von Engineering Workflows auf einem

anderen Abstraktionsgrad im Vergleich zu Business

Workflows verhindert eine Kontrolle des Arbeitsablaufs

durch ein Workflow-Management-System, da

diese die dafür erforderlichen Details nicht bietet. Allerdings

kann ein System mit der vorgestellten Modellierung

für Engineering Workflows folgende, aufeinander

aufbauende Leistungen erbringen:

Es kann den vielen am Engineering Workflow beteiligten

Ingenieuren einen Überblick über den gesamten

Arbeitsablauf geben und jedem Einzelnen bewusst

machen, in welchem Arbeitskontext (Vorgänger,

Nachfolger) er steht.

Es kann den Engineering Workflow nachverfolgen

und den Fortschritt im Prozess visualisieren. Dieses

ermöglicht allen Beteiligten, den aktuellen Stand

zu erfahren und leichter zu entscheiden, an welcher

Stelle am günstigsten fortzufahren ist. Die Voraussetzung

für diese Fähigkeit ist die Erfüllung der

Eigenschaft „Datenzugriff“ (siehe Tabelle 1) von

Seiten des Systems.

Es kann Änderungen an den Objekten visualisieren

und entsprechend auch aufzeigen, welche nachfolgenden

Aktivitäten davon betroffen sind. Somit ist

eine Unterstützung des Änderungsmanagements

möglich. Dazu muss das System zusätzlich zur Eigenschaft

„Datenzugriff“ die Eigenschaft „Iteration“

gemäß Tabelle 1 erfüllen.

Es kann die Kommunikation des Fortschritts und

von Änderungen automatisieren, sodass Ingenieure

für nachfolgende Aktivitäten zeitnah wissen, wann

sie aktiv werden müssen.

Es kann als zentrale Benutzungsoberfläche dienen,

über die die Ingenieure über die Objekte Zugriff auf

sämtliche Planungsdaten und über die Aktivitäten

Zugriff auf die benötigten Softwarewerkzeuge bekommen.

Somit ist es möglich, dezentrale Datenhaltung

und heterogene Werkzeuglandschaften unter

einer einheitlichen Oberfläche zusammenzufassen.

Die Voraussetzung für diese Fähigkeit ist jedoch

die Implementierung der Anforderungen, die sich

aus den Eigenschaft „Systemkopplung“ gemäß

Tabelle 1 ergeben.

Die Auflistung zeigt, dass sich die Unterschiede zwischen

Engineering und Business Workflows auch auf die

Nutzungsmöglichkeiten eines WfMS auswirkt. Im Fall

von Engineering Workflows beschreiben die genannten

Nutzungsmöglichkeiten ein neues Paradigma für Workflow-Management-Systeme.

Anstatt, wie im Fall von

Business Workflows, dem Benutzer nur die Informationen

zu geben, die er in seinem Kontext benötigt und den

Workflow vollständig zu kontrollieren, muss ein WfMS

im Fall von Engineering Workflows das Gegenteil leisten:

Es muss dem Benutzer einen vollständigen Überblick

über den Arbeitsablauf geben, ihn bezüglich Fortschritt

und Änderungen in den Planungsdaten auf dem

Autoren

Dr.-Ing. LARS Libuda

(geb. 1974) ist Mitarbeiter in

der Gruppe „Automation

Engineering“ in der Abteilung

„Industrial Software and

Applications“ des ABB Forschungszentrums

Deutschland.

Sein Hauptinteresse gilt der

Entwicklung neuer Konzepte

und Methoden zur Verbesserung des Engineerings

im Bereich der Anlagenplanung mit Fokus auf

Automatisierungs- und Elektrotechnik, im

letzteren Bereich vor allem nach dem Standard

IEC 61850.

ABB AG,

Forschungszentrum Deutschland,

Wallstadter Str. 59, D-68526 Ladenburg,

Tel. +49 (0) 6203 71 61 53,

E-Mail: lars.libuda@de.abb.com

Dipl.-Phys. GEORG GuTERmuth

(geb. 1969) leitet die Gruppe

„Automation Engineering“

in der Abteilung „Industrial

Software and Applications“

des ABB Forschungszentrums

in Ladenburg. Schwerpunkte

seiner Arbeit sind Tool- und

Datenintegration, Arbeitsabläufe

und deren Unterstützung sowie neue

Methoden und Konzepte zur Effizienzsteigerung

des Engineerings im Bereich der Automatisierungstechnik.

ABB AG,

Forschungszentrum Deutschland,

Wallstadter Str. 59, D-68526 Ladenburg,

Tel. +49 (0) 6203 71 64 77,

E-Mail: georg.gutermuth@de.abb.com

50

atp edition

9 / 2011

aktuellen Stand halten und den Workflow nachverfolgen,

aber keinesfalls kontrollieren. Das System hat in

diesem Fall eine passive, informative Rolle.

Somit ist es gerechtfertigt, für ein System zur Unterstützung

von Engineering Workflows den Begriff Engineering

Workflow Support System (EWSS) einzuführen

und dieses von einem Workflow-Management-System

für Business Workflows (WfMS) abzugrenzen.

Bei konsequenter Umsetzung der Modellierung von

Engineering Workflows und deren informationstechnische

Unterstützung in einem EWSS sind die oben genannten

Nutzungsmöglichkeiten technisch realisierbar.

Dies verspricht, die Arbeitsabläufe und Kommunikation

innerhalb eines Anlagenbauprojekts effizienter zu

gestalten und dabei die notwendige Kreativität in der

Anlagenplanung zu bewahren.

Fazit

Eine Einführung von Workflow-Management-Systemen in

die Anlagenplanung verspricht eine Effizienzsteigerung

bei der Abwicklung von Anlagenbauprojekten. Workflow-

Management-Systeme müssen dafür jedoch im Vergleich

zu Geschäftsprozessen einem anderen Paradigma folgen.

Workflow-Management-Systeme für die Anlagenplanung

müssen ihren Nutzern, den Ingenieuren, einen vollständigen

Überblick über den Arbeitsablauf geben, ihn bezüglich

Fortschritt und Änderungen in den Planungsdaten

auf dem aktuellen Stand halten und den Workflow nachverfolgen.

Sie dürfen keinesfalls den Arbeitsablauf kontrollieren

und den Nutzern nur eingeschränkte Sicht auf

den Arbeitsablauf geben, wie es bei Workflow-Management-Systemen

für Geschäftsprozesse der Fall ist.

Die Gründe für diesen Paradigmenwechsel liegen in

den grundsätzlichen Unterschieden von Business Workflows

und Engineering Workflows. Erstere bilden einen

administrativen Prozess ab, letztere einen kreativen

M. Eng. Stefan HeiSS (geb. 1971)

erstellte im Rahmen seines

berufsbegleitenden Master-Studiums

an der Georg-Simon-Ohm

Hochschule seine Masterarbeit

in der Gruppe „Automation

Engineering“ in der Abteilung

„Industrial Software and

Applications“ des ABB Forschungszentrums

Deutschland. Der Fokus der

Masterarbeit liegt in der informationstechnischen

Unterstützung von Engineering Workflows. Heiß

arbeitet im Bereich Software-Qualitätsmanagement

und Funktionale Sicherheit für Embedded Systems.

Georg-Simon-Ohm-Hochschule,

Fakultät Elektrotechnik, Feinwerktechnik,

Informationstechnik,

Wassertorstraße 1, D-90489 Nürnberg,

Tel. +49 (0) 177 400 62 78, E-Mail: stefan.heiss.1@web.de

Prozess. Bedingt durch diese Unterschiede wurde in

diesem Beitrag eine Notation für Engineering Workflows

eingeführt sowie Nutzen und Anforderungen an

ein Engineering Workflow Support System für die Anlagenplanung

diskutiert.

Manuskripteingang

19.04.2011

ReferenZEn

[1] Gadatsch, A.: Grundkurs Geschäftsprozess-

Management. Vieweg, Wiesbaden 2008

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http://www.wfmc.org/

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Simultaneous Engineering Systems. The Way to

Successful Product Development. Springer Verlag,

Berlin 1995


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design management the means to configuration and

execution of the design process. Proceedings of

European Design Automation Conference, EURO-

VHDL '92, EURO-DAC '92 (1992), S. 552 557

[5] Sum, S., Ibold, C.: Information Technology Support for

Concurrent and Simultaneous Engineering – Tool

Integration in a Meta Framework. Proceedings of

TENCON '94, IEEE Region 10's Ninth Annual International

Conference (1994) Vol. 2, S. 1068 1073

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Produktentwicklung. Mitteilungen aus dem Institut

für Maschinenwesen Nr. 21, Clausthal-Zellerfeld,

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Project Report, Deliverable document 5.3, Public

Document No.: CONFLOW.00.06., ConFlow, inCO

Copernicus programme (Projekt Nr. 960243), 2000

[8] zur Muehlen, M.; Recker, J.: How much language is

enough? Theoretical and practical use of the Business

Process Modeling Notation. Proceedings of the 20th

international conference on Advanced Information

Systems Engineering (2008), S. 465 479

[9] Killich, S.; Luczak, H.; Schlick, C.: Weissenbach, M.;

Wiedenmaier, S.; Ziegler, J. (1999): Task modelling for

cooperative work. Behavior & Information Technology,

Vol. 18, No. 5, 325-338

[10] theißen, M.; Hai, R.; Marquardt, W.: ProcessNet-

Fachausschuss 7. Symposium Informationstechnologien

für Entwicklung und Produktion in der Verfahrenstechnik

26. März 2010, Aachen

(online verfügbar unter:

http://www.processnet.org/processnet_media/

Elsen/Pr%C3%A4sentation+Hai.pdf)

[11] Foltz, C.; Killich, S.; Wolf, M.: K3 User Guide (Version

0.1), Institut für Arbeitswissenschaft (IAW) der RWTH

Aachen, 21.11.2000 (online verfügbar unter:

http://www.iaw.rwth-aachen.de/download/produkte/

k3_userguide_2000-11-21.pdf)

[12] zur Muehlen, M.: Workflow-based Process

Controlling, Logos Verlag, Berlin 2004

(ISBN 3-8325-0388-9), Seiten 38-39

atp edition

9 / 2011

51

hauptbeitRAG

Von Zäunen befreit

Industrieroboter mit Ultraschall absichern

Um das Risiko zu vermindern, dass Personen mit dem Roboter in Kontakt kommen und

dabei verletzt werden, arbeiten industrielle Roboter hinter starren Schutzeinrichtungen.

Das Institut für Arbeitschutz (IFA) forscht an der Zukunftstechnologie „Kollaborierender

Roboter“, um Menschen den gefahrlosen Zugang zum arbeitenden Roboter zu gewähren.

Der Beitrag beschreibt, wie im Rahmen des von der Bayerischen Forschungsstiftung geförderten

Projektes „EsIMiP“ ein Konzept entwickelt wurde, einen Roboterarm mit Ultraschallsensoren

so abzusichern, dass ein flexibles Zusammenarbeiten von Mensch und

Roboter möglich wird.

SCHLAGWÖRTER Industrieller Roboter / Ultraschallsensoren / kollaborierender Roboter /

EsIMiP / IFA / DGUV

Freed from fences –

Safeguarding industrial robots with ultrasound

Industrial robots work behind rigid safety devices in order to lower the risk that persons

come in contact with the robot and thus to harm. The IFA, an institute for research and

testing of the German Social Accident Insurance in Germany, is working on the state of

science in “collaborating robots”, to grant humans safe access to robots.

In the course of the project “EsIMiP”, promoted by the Bavarian Research Foundation, a

concept was developed at the IFA, allowing the robot’s arms to be secured by ultrasonic

sensors. This enables a flexible collaboration between human and robot.

KEYWORDS Industrial robot / ultrasonic sensors / collaborating robot / EsIMiP / IFA /

DGUV

52

atp edition

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Björn Ostermann, MiCHAEL HuELKE, Institut für Arbeitsschutz (IFA)

Anke Kahl, Bergische Universität Wuppertal

Der erste industrielle Roboter wurde 1954 von George

C. Devol Jr. erfunden und 1961 bei General Motors

erstmals in der industriellen Fertigung eingesetzt

[1]. Der erste tödliche Unfall geschah 1979 [2].

Ende 2009 waren weltweit bereits mehr als eine

Millionen Roboter in der Industrie im Einsatz, hiervon etwa

340 000 in Europa und mehr als 140 000 in Deutschland [3].

Durch die Anforderungen, die an die Sicherheit von

Maschinen – nicht nur im europäischen Binnenmarkt

– gestellt werden, verrichten die meisten dieser Roboter

ihren Dienst hinter starren Zäunen. Mit der Zulassung

von Laserscannern für Sicherheitsapplikationen in 1998

[4] und des Kamera Systems „SafetyEye“ in 2006 [5]

konnten einige der starren Zäune durch berührungslos

wirkende Schutzeinrichtungen ersetzt werden. Doch

auch diese unsichtbaren Zäune trennen Bediener und

Roboter entlang einer vorgegebenen starren Grenze.

Eine flexible und sichere Zusammenarbeit zwischen

Bediener und Roboter im selben Arbeitsraum ist mit heutigen

Sicherheitssystemen nicht möglich. Hierzu wird ein

neues System benötigt, dass die Bewegungsräume des Bedieners

möglichst wenig einschränkt und sicherheits- und

auch prozesstechnisch flexibel auf den Aufenthaltsort des

Bedieners reagiert. Neben der hohen Sicherheit spielen

wirtschaftliche Aspekte eine große Rolle. Ein Roboter, der

keinen Zaun benötigt und dem man sich bedenkenlos im

Betrieb nähern kann, verspricht Möglichkeiten für neuartige

Arbeitsplätze und die Umsetzung von platzsparenden

Konzepten im Rahmen der Arbeitsplatzgestaltung.

Der Forschungsbereich „Kollaborierende Roboter“ befasst

sich damit, den industriellen Roboter soweit sicher zu machen,

dass er mit Menschen auf engem Raum zusammenarbeiten

kann, ohne dabei durch eine fest stehende Schutzeinrichtung

von den Menschen getrennt zu sein. Menschen

können sich „mit Sinn und Verstand“ auf Änderungen einstellen.

Ein gewöhnlicher industrieller Roboter kann seine

Umgebung dagegen nicht wahrnehmen und hat keine Möglichkeit,

sich Veränderungen in seinen Arbeitsbedingungen

anzupassen. Er arbeitet stoisch sein Programm ab.

Das vom IFA zu entwickelnde Sicherheitssystem soll

in die Robotersteuerung eingreifen und Kollisionen verhindern,

indem die Geschwindigkeit des Roboters bei

Annäherung bis zum Stillstand reduziert wird. Als Aufgabe

ergibt sich hieraus, den Roboter mit geeigneter Sensorik

auszustatten und in seiner Steuerung gleichzeitig

Algorithmen einzubinden, die es ihm erlauben, seine

Arbeitsweise den erfassten Werten anzupassen.

Eine geeignete Sensorik muss

Daten schnell und zyklisch liefern und

relevante Daten erfassen.

Die Algorithmik muss

Daten schnell und zyklisch verarbeiten sowie

mit den gelieferten Daten auskommen.

Beide Aufgabengebiete müssen aufeinander abgestimmt

sein. Wenn die Sensorik unnötige Daten liefert, müssen

diese in der Algorithmik mühsam gefiltert werden. Wenn

die Sensorik zu wenige Daten liefert, kann die Algorithmik

keine optimale Lösung finden. Andererseits darf die Algorithmik

keine Daten erwarten, die mit Sensorik nicht erfasst

werden können. Algorithmen, die nur an vollständigen

Datensätzen aus virtuellen Computermodellen getestet

werden, scheitern in der Praxis an den unvollständigen,

fehlerbehafteten Daten, die ihnen reale Sensoren liefern.

1. Kollaborierende Roboter

2. Arbeitsaufgabe des Industrieroboters

Ein wichtiger Faktor für die Planung eines kollaborierenden

Roboters ist seine Arbeitsaufgabe. Die Wahl von Sensorik

und Algorithmik ist von folgenden Faktoren abhängig:

Typ des Industrieroboters

Kraft

Reichweite

Freiheitsgrade (Anzahl Achsen)

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53

HauptbeitRAG

gewünschte Arbeitsgeschwindigkeit des

Roboters

Aufgabe des Roboters, wie Beförderung kleiner,

großer, (un‐)übersichtlicher oder komplexer Teile,

oder sonstige Aufgaben, wie Schweißen und

Lackieren

Die zu bewältigende Arbeitsaufgabe wurde im Projekt

EsIMiP festgelegt. In diesem Projekt, gefördert von der

Bayerischen Forschungsförderung (AZ‐852‐08), verfolgen

die TU München, die Universität Kassel, das IFA

sowie die Industriepartner Reis Robotics und Baumüller

das Ziel, experimentelle Ansätze aus der Forschung

mit verifizierbarer Sicherheitstechnik zu kombinieren.

Als Arbeitsmittel wurde ein Roboter RV20-16 beziehungsweise

RV30-16 der Firma Reis gewählt. Die Reichweite

dieser Roboter liegt bei zirka 2 m. Als Aufgabe

des Roboters wurde „Transport und Darreichung von

kleinen Teilen“ gewählt.

3. Absicherung des Roboters (mit Sensoren)

Zur Kollisionserkennung zwischen Roboter und Mensch

werden geeignete Sensoren benötigt. Die Wahl dieser Sensoren

hängt von verschiedenen Faktoren ab. Sie müssen

eine lückenlose Überwachung der Roboterumgebung

gewährleisten

unabhängig von der Ausrüstung des Bedieners wirken

ein sicheres Signal liefern

ein schnelles Signal liefern

störfest sein

3.1 Platzierung der Sensorik

Für die lückenlose Überwachung der Roboterumgebung

zur sicheren Kollisionsvermeidung sind drei unterschiedliche

Vorgehensweisen denkbar:

BILD 1: Arbeitsbereich, von außen überwacht mit Kameras

BILD 2: Arbeitsbereich, von innen überwacht

BILD 4: Eindringendes Objekt wirft Echos zurück,

Sensor 2 misst geringste Distanz.

BILD 5: Verkürzte Schallaufzeit für Sensor 4

54

atp edition

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Überwachung mittels durchdringender Sensoren

Überwachung des Arbeitsraumes mit nicht durchdringenden

Sensoren „von außen“

Überwachung der Roboterumgebung mit am

Roboter montierten Sensoren „von innen“

A | Überwachung mittels durchdringender Sensoren

Lückenlose Überwachung kann erreicht werden, wenn

Sensoren eingesetzt werden, die nur auf bestimmte Marker

reagieren und restliche Materialien durchdringen.

Ein Beispiel ist der Einsatz von RFID Tags, die vom Menschen

am Körper getragen werden. Diese Technik wurde

im IFA bereits für verschiedene Einsatzbereiche erprobt

[6]. Es können allerdings nur solche Stellen am Mensch

gefunden werden, die mit einem RFID Tag versehen sind.

Hierdurch ergibt sich, dass Bediener mit ausreichendem

Sicherheitsabstand arbeiten müssen, oder alle Körperteile

des Bedieners, welche gefährdet sind, vollständig

mit RFID Tags versehen sind.

BILD 3:

Reis-Roboter

mit Microsonic-

Sensoren

Dieser Ansatz hat für die Interaktion von Mensch und

Roboter den Nachteil, dass nur die Personen geschützt sind,

die eine entsprechende Schutzausrüstung angelegt haben.

Es muss deshalb organisatorisch sichergestellt sein, dass

sich nur so geschützte Personen im Roboterbereich aufhalten.

Organisatorische Maßnahmen sind in der Sicherheitstechnik

aber nachrangig zu technischen Maßnahmen anzuwenden,

die vorher ausgeschöpft sein müssen.

B | Überwachung des Arbeitsraumes mit nicht

durchdringenden Sensoren „von außen“

Eine lückenlose Überwachung des Arbeitsraums von außen

durch im Raum angebrachte Sensoren ist schwierig

zu realisieren. Sensoren, deren Erfassungsbereich durch

das erfasste Hindernis geblockt wird, erzeugen für den

dahinter liegenden Bereich „blinde Zonen“, für die dann

keine Daten vorliegen. Wie Bild 1 zeigt, können diese Zonen

zwar durch die Verwendung vieler Sensoren aus unterschiedlichen

Richtungen in ihrer Größe verringert

werden. Auch können bekannte, starre Hindernisse bei

der Platzierung der Sensoren berücksichtigt werden. Flexible

Hindernisse, wie zum Beispiel der Bediener, oder

auch der dynamisch ausweichende Roboter selbst, sind

in der Planung allerdings nur schwer zu berücksichtigen.

Gerade hier sind blinde Zonen besonders störend für eine

dynamische Robotersteuerung.

C | Überwachung der Roboterumgebung

mit Sensoren „von innen“

Ein weiterer Ansatz ist, die Montage der Sensoren am

Roboter, um den Raum von innen zu überwachen. Wie

Bild 2 verdeutlicht, treten auch hierbei blinde Zonen im

Erfassungsbereich auf, wenn die Sensormessung auf das

Hindernis trifft.

Die Sicherheit im Roboterarbeitsbereich wird durch

diese blinden Zonen aber nicht beeinträchtigt, da hierfür

nur der freie Bereich um den Roboter entscheidend ist.

Die Information über den gesamten freien Raum, die für

die arbeitstechnisch optimale Planung eines Roboterpfades

benötigt wird, kann hierbei nicht erfasst werden.

Daher ist das Überwachen des Raumes vom Roboter aus

nur für den Teil der Steuerung passend, der die sichere

Annäherung des Roboters an den Menschen überwachen

soll. Die Sensoren müssen so platziert werden, dass vom

Roboter gegriffene Teile und Arbeitsmittel vom Sensorfeld

vollständig umschlossen sind. Dies kann sich für

große Werkstücke problematisch gestalten.

3.2 Wahl der Sensoren

Auf Basis der beschriebenen Randbedingungen wurde im

Projekt EsIMiP die Auswahl der Sensoren zur sicheren

Hinderniserkennung auf solche beschränkt, die ohne zusätzliche

Markierungen am zu erkennenden Objekt auskommen

und sich für den Einsatz „von innen“ eignen.

Analysen der in der Literatur beschriebenen, bereits umgesetzten

Sensorkonzepte zeigen, dass

BILD 6: Unterschied der freien Räume,

mit und ohne Fehlmessung

Kraftsensoren, die erst bei Berührung auslösen,

einen Zusammenstoß erkennen aber nicht verhindern

können [7]

Kapazitive Sensoren noch nicht zur sicheren

Erfassung geeignet sind und nur einen begrenzten

Erfassungsbereich haben [8]

atp edition

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HauptbeitRAG

Kameras (2D und 3D) nur schwer sicherheitsertüchtigt

werden können und dann hohen Rechenaufwand

erfordern (Beispiel: Pilz SafetyEye)

Laserscanner für 3D-Aufnahmen eine zu geringe

Bildanzahl pro Sekunde liefern [9]

PMD-Kameras noch nicht sicherheitsgerichtet

funktionieren [10]

Nach weiteren Untersuchungen auf dem Markt verfügbarer

Sensoren kristallisierte sich als Ergebnis die Nutzung

von Ultraschallsensoren heraus. Der Vorteil dieser Sensoren

ist, neben der bereits vorhandenen Applikation in der

Sicherheitstechnik, dass sie auf jegliche Annäherung im

Erfassungsbereich reagieren, und als Messergebnis immer

die kürzeste Distanz zum erkannten Objekt zurückliefern.

Der Rechenaufwand pro Sensor ist klein, sodass eine größere

Anzahl von Sensoren eingesetzt werden kann, um

eine flächendeckende Messung zu gewährleisten.

Im Projekt wurde ein Konzept entwickelt, den Roboter

mit nach außen gerichteten Ultraschallsensoren einzukleiden.

Die Vorgehensweise ähnelt damit der Einparkhilfe

von Kraftfahrzeugen, bei der wenige Ultraschallsensoren

in der Stoßstange eingebaut sind. Die Anzahl der am Roboter

verwendeten Sensoren ist jedoch ungleich größer.

Das IFA wird hierbei durch die Firma Microsonic technologisch

unterstützt, die bereits 1996 ihren ersten Ultraschallsensor

für die Sicherheitstechnik ertüchtigt hat.

Bild 3 zeigt den Reis Roboter RV30-16 mit angebauten Ulraschall

Sensoren von Microsonic im Versatz von 10 cm.

Die Sensorwerte werden über eine Beckhoff-EtherCAT-

Schnittstelle an die Auswerteeinheit (PC) übertragen.

Nach ihrer Verarbeitung werden entsprechende Fahrbefehle

weiter an die Robotersteuerung geleitet. Zurzeit

wird davon ausgegangen, dass das Tool ebenfalls eine

umschließende Überwachung mit Ultraschall zulässt.

3.3 Messprinzip des Ultraschall‐Arrays

Ultraschallsensoren senden ein kurzes Schallsignal im

für Menschen unhörbaren Ultraschallbereich aus und

messen die Zeit, bis das von Fremdobjekten zurückgeworfene

Signal wieder vom Sensor erfasst wird. Aus dieser

Zeit, in Verbindung mit der aktuellen Lufttemperatur,

wird die Distanz bis zum Objekt berechnet. Dieses Messprinzip

ist möglich, da die Schalllaufzeit in 20 °C warmer

Luft mit etwa 343 m/s sehr gering ist. Ein Microcontroller

kann damit die Laufzeit mit der erforderlichen geringen

Toleranz messen, um einen ausreichend genauen Abstand

zum Objekt berechnen zu können. Für eine Abstandsmessung

von 50 cm benötigt Ultraschall zirka 3 ms.

Beim Anbau der Sensoren muss in der gegebenen Anwendung

darauf geachtet werden, dass sich die Schallkeulen

überschneiden, um flächendeckende Messergebnisse

in dem erforderlichen Sicherheitsabstand zu erreichen.

Dringt nun ein Objekt in den überwachten Bereich

ein, nehmen die Sensoren wie in Bild 4 gezeigt, ein zurückgeworfenes

Echo auf und können hieraus auf ihre

Entfernung zum Objekt schließen.

Der Bereich, der durch den Kegel der Sensoren in dieser

Entfernung abgedeckt wird, kann damit als „frei von

Objekten“ angenommen werden.

Um das dargestellte Bild zu erhalten, müssen die Sensoren

ihren jeweils erzeugten und zurücklaufenden Schall

voneinander unterscheiden können. Bei gleichzeitiger

Messung ist dies theoretisch durch eine Kodierung der

Frequenzen möglich. Praktisch ergeben sich aber Mehrfachreflexionen

in der Umgebung, die eine genaue Zuordnung

des Empfangssignals verhindern. Auch ist das Verwenden

verschiedener Ultraschallfrequenzen in der Praxis

kaum zu realisieren. Eine Schallkodierung der einzelnen

Sensoren lässt sich somit nicht in die Praxis umsetzen.

Theoretisch denkbar wäre es, auch sequenzielle Messungen

durchzuführen. Durch das Abklingen des Schalls

in der Umgebung sowie das zur Ruhe kommen des Sende-/Empfangsmoduls

im Sensor kann eine einzelne Messung

im Bereich bis 60 cm aber nur alle 17 bis 20 ms

durchgeführt werden. Das sequenzielle Messen führt

somit bei der hier vorgesehenen großen Anzahl von Sensoren

zu sehr großen Messzyklen.

Als Lösung für dieses Problem wird die Messung der

Ultraschallsensoren bei gleicher Kodierung der Frequenzen

gleichzeitig gestartet. Hierdurch ergibt sich jedoch ein

weiteres Problem, wie Bild 5 darstellt. Der Weg von Sensor

3 zum Objekt und zurück zu Sensor 4 ist kürzer als

von Sensor 4 selbst zum Objekt und zurück. Bei parallel

laufender Messung wird in Sensor 4 somit das Rücklaufsignal

von Sensor 3 und damit eine kürzere Distanz zum

Objekt gemessen als sie wirklich gegeben ist. Der als frei

bekannte Raum verkürzt sich damit an dieser Stelle.

Die Messung des minimalen Abstandes bleibt von dieser

Messverfälschung jedoch unberührt. Für das Beispiel ergibt

sich der in Bild 6 dargestellte Unterschied zwischen

möglicher Messung (grau) und erfolgter Messung (rot).

Da für die Umsetzung der Sicherheitsfunktion die Geschwindigkeit

des Roboters am kleinsten gemessenen

Abstand auszurichten ist, ist eine geringe Verfälschung

der restlichen Messwerte nicht von Bedeutung.

4. Algorithmen zur Messwertauswertung

Wie in Kapitel 2 beschrieben, ist es das Ziel des IFA, eine

Anpassung der Robotergeschwindigkeit an die Umgebungsbedingungen

zu erreichen.

Um die jeweils aktuell zulässige Geschwindigkeit zu

berechnen,

müssen die ermittelten Abstandswerte der

Sensoren ausgewertet und zu einer virtuellen

Karte der Umgebung verknüpft werden,

muss berechnet werden, ab welcher Geschwindigkeit

der Roboter mit den Außengrenzen der Karte

gefährlich kollidiert.

Diese Schritte sind für die Ermittlung der konkreten Geschwindigkeitsvorgabe

feiner unterteilt worden. Hierzu

beschreibt dieses Kapitel:

den Zusammenhang zwischen Messzyklus,

Abstand und Geschwindigkeit

den Datenfluss durch die einzelnen Algorithmen in

der entwickelten „Fail Safe Control“

die Bestimmung des freien Raums, angedeutet in Bild 6

die Erfassung der Karte der statischen Umgebung

und das Ziel:

die Bestimmung der aktuell zulässigen Geschwindigkeit

durch Kollisionsprüfung

56

atp edition

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4.1 Zusammenhang Messzyklus - Abstand -

Geschwindigkeit

Die Norm DIN EN ISO 13855 „Sicherheit von Maschinen

– Anordnung von Schutzeinrichtungen im Hinblick

auf Annäherungsgeschwindigkeiten von Körperteilen“

beinhaltet Berechnungsgrundlagen und -formeln,

die auch für das vorgestellte Sensorkonzept genutzt

werden können.

S = ( K∗T)+

C

Mindestabstand

Die DIN EN ISO 13855 gibt für die Ermittlung des Mindestabstands

„S“ die Berechnungsformel S = ( K∗T)+

C vor.

S = ( K∗T)+

C

K : Faktor für die Annäherungsgeschwindigkeit

eines S = Menschen ( K∗T)+

C 2 m s

T : Nachlaufzeit

C : Eindringungstiefe in den Gefahrenbereich

bis zur Detektion

2 m s

2 m s

Der Faktor K beträgt bei weniger als 500mm Mindestabstand

2 m s , ansonsten 16 ,

m s . Hinzu kommt die Geschwindigkeit

des Roboters selbst. Nach der erwähnten

Norm besteht die Nachlaufzeit T eines Systems aus

16 ,

m

der Zeit zwischen Auslösen des Sensorsystems s und

dem 16 ,

m s Stillstand der Maschine. Im Projekt wird für T

einen Wert von 100 ms angenommen. Da die Sensoren

Finger erkennen 16 ,

m s

können, Skann =

m

( 2C auf

s ∗100 0mm ms)+ gesetzt 0mm = werden.

Bei stillstehendem Roboter ergibt sich ein Min-

200mm

destabstand von

S =

m

( 2 s ∗100ms)+ 0mm = 200mm

S =

m

( 2 s ∗100ms)+ 0mm = 200mm

Geschwindigkeit S =

m

( 2S =

s ∗( 100 K∗ms T)+

)+ C0 mm = 200mm

Die erlaubte Geschwindigkeit des Roboters ist auf zwei

Teilstrecken linear. Eine grafische Darstellung des Zusammenhangs

bis zur maximalen Messreichweite von

600 mm zeigt Bild 7.

Danach darf sich der Roboter bei 60 cm freiem Raum

mit maximal 4,4 2 m s bewegen.

BILD 7: Zusammenhang „aktueller Abstand - maximal erlaubte

Geschwindigkeit“ für eine Reaktionszeit von 100 ms

4.2 Fail Safe Control

Um das sichere Abbremsen des Roboters vor einer Kollision

zu kontrollieren, 16 ,

m s wird im IFA die in Bild 8 dargestellte

„Fail Safe Control“ (FSC) entwickelt. Um dies zu erreichen,

werden die Sensorwerte zu einer Umgebungskarte zusammengefügt

und diese Karte mit der Roboterbewegung abgeglichen.

Diese Maßnahmen sind sicherheitsrelevant und

müssen deshalb in Echtzeit durchgeführt werden.

Die Eingaben Sin = die m

( 2 FSC

s ∗100 erfolgen ms)+ 0mm = 200mm

durch die Ultraschallsensoren, die alle 60 ms ihre

Distanzwerte liefern

durch den Roboter selbst, dessen Steuerung

alle 2 ms die eigene Position liefert

alle 10 ms die nächste anzufahrende Position liefert

durch einen weiteren Programmteil, der einmalig die

statischen Objekte der Umgebung liefert

BILD 8: Zeitlicher Ablauf der Berechnungen

BILD 9: Bahnkurvenabhängige Berechnung der

aktuell zulässigen Geschwindigkeit

Ausgegeben werden die Werte für die maximalen Geschwindigkeiten

der Achsen, die alle 10 ms bereitgestellt

werden.

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57

HauptbeitRAG

4.3 Bestimmung des freien Raums

Der freie Raum (siehe Bild 6) entsteht aus den Bereichen, die

die Sensoren als frei von Objekten identifizieren. Der Abstand

des Roboters von den Außengrenzen des freien Raumes

bestimmt grundsätzlich die zulässige Geschwindigkeit

des Roboters. Es ist allerdings wichtig zu unterscheiden, ob

diese Grenzen durch statische Hindernisse beziehungsweise

durch den Arbeitsplatz selbst entstehen, oder ob dynamische

Hindernisse den freien Raum einschränken.

Die Geschwindigkeit des Roboters soll nur gegenüber

dynamischen Hindernissen, zum Beispiel Bedienern, verringert

werden, damit die maximal zulässige Geschwindigkeit

nur dort, wo es sicherheitstechnisch erforderlich

ist, eingeschränkt wird. Statische Hindernisse, beispielsweise

Arbeitstische, sind bereits heute durch andere

Funktionen der Robotersteuerung, wie Softwarenocken,

abgesichert. Auch muss gegenüber einem statischen Objekt

kein Sicherheitsabstand eingehalten werden.

Bei der Messung mit Ultraschall ist es allerdings nicht

möglich, einzelne Objekte direkt zu unterscheiden. Auch

ist die Auflösung des geplanten Sensornetzwerks zu gering,

um die Form von Objekten zu erkennen und gegebenenfalls

zuzuordnen. Wegen der angeführten Vorgabe

wird aber eine Funktion benötigt, die es dem Programm

erlaubt, zwischen statischen und dynamischen Hindernissen

zu unterscheiden. Eine solche Möglichkeit bietet

die Hintergrundausblendung. Hierbei muss die statische

Umgebung des Roboters bekannt sein und dann bei der

Auswertung der Sensorwerte ausgeblendet werden.

Karte der statischen Umgebung

Bei einem Roboter, der keine selbstständige Änderung an

seiner einprogrammierten Bahn (Trajektorie) vornimmt,

kann die geplante vorgegebene Trajektorie, die die statischen

Hindernisse bereits berücksichtigt, abgefahren

werden. Dabei können die Erwartungswerte für die Sensoren

eingelernt werden. Ein Roboter, der seine Trajektorie

an Fremdobjekte in seiner Umgebung dynamisch anpasst,

muss dagegen mit einer Karte der statischen Objekte

arbeiten, um diese von dynamischen Objekten unterscheiden

zu können. Hierbei kann benutzt werden:

ein Modell aller statischen Objekte im Raum

oder

ein Modell des freien, befahrbaren Raums

Die vorhandenen Ultraschallsensoren bieten die Konstruktion

einer Karte des freien Raums als den einfacheren Weg

an. Zu Beginn der Messung wird dazu der gesamte, von

dynamischen Objekten befreite Raum als belegt „gesetzt“.

Mit jeder Messung wird dann der Bereich, den einzelne

Sensoren als frei zurückliefern vom belegten Raum abgezogen

und der Arbeitsraum schrittweise in das Programm

eingelernt. Der Roboter wird hierfür entweder durch ein

Programm oder durch den Bediener selbst gesteuert. Wird

der Raum mit Hilfe eines Bedieners eingelernt, ist eine grafische

Darstellung von Raum, Roboter und Sensormesswerten

nötig. Zur statischen Umgebung gehört bei der dynamischen

Anpassung auch der Roboter selbst. Sensoren, die am

ersten Arm angebracht sind, erkennen ab einem bestimmten

Winkel der Gelenke den zweiten Arm, beziehungsweise

das Werkzeug des Roboters. Auch diese Werte müssen

aus der Kollisionsberechnung ausgeschlossen werden.

4.4 Kollisionstest

Der Kollisionstest erfolgt, wie auch die Sensormessung,

zyklisch. Die Dauer eines einzelnen Tests ist jedoch

geringer als die Dauer der Messung. Deshalb ist es möglich,

mehrere Kollisionsprüfungen pro Messzyklus

durchzuführen. Hieraus ergibt sich, dass die Annahmen

über den freien Raum, die vor dem ersten Kollisionstests

gemessen wurden, für den zweiten Kollisionstest

in einem Zyklus nicht mehr aktuell sind. Um jederzeit

mit sicheren Werten arbeiten zu können, müssen

die Sensorwerte deshalb an die Zeit angepasst werden,

die vergangen sein wird, wenn die errechnete Geschwindigkeitsvorgabe

angewendet wird. Damit kann

berücksichtigt werden, dass sich dynamische Objekte

in der Zwischenzeit dem Roboterarm genähert haben

können. Mit dem zeitlich angepassten Raum muss eine

Kollisionsprüfung durchgeführt werden, bei der üblicherweise

der geringste Abstand zwischen Roboter und

Umgebung bestimmt wird.

Für diesen Kollisionstest wurden zahlreiche Algorithmen

entwickelt, die aber größtenteils auf dem Hintergrund

der Pfadplanung basieren. Im Rahmen dieses Projektes

wurde eine performantere Lösung entwickelt, die

allein auf die Kollisionsüberwachung spezialisiert ist.

Abgleich freier Raum und Bewegungsvorhersage –

Berechnung der Geschwindigkeit

Eine große Herausforderung bei der dynamischen

Bewegungsplanung industrieller 6-Achsen-Roboter

ist die Kollisionsprüfung mit Hindernissen in seiner

Umgebung. Alle sechs Achsen können sich unabhängig

von einander bewegen und die Bewegung einzelner

Glieder ist von allen davorliegenden Achsen abhängig.

Auch können bestimmte Positionen des Werkzeugs

durch eine Vielzahl von Achskombinationen

erreicht werden.

Während sich die prozessorientierte Pfadplanung im

Projekt auf die Kollisionsprüfung des Roboterwerkzeugs

allein konzentrieren kann – um hierdurch den

Aufwand der Berechnungen in Grenzen zu halten –

muss die sicherheitsgerichtete Kollisionsüberwachung

stets den kompletten Roboter überwachen. Es wird im

Projekt deshalb davon ausgegangen, dass eine Überwachung

aller denkbaren Zustände, die der Roboter und

die manipulierten Werkstücke theoretisch einnehmen

können, nicht in Echtzeit erfolgen kann, weil die zu

verarbeitende Datenmenge zu groß ist.

Dieses Problem wurde in diesem Projektteil elegant

über eine „Bewegungsvorhersage“ gelöst. Die sicherheitstechnische

Überwachung greift nicht in die Pfadplanung

des Roboters selbst ein. Sie regelt nur dessen Geschwindigkeit

innerhalb des durch die Pfadplanung vorgegebenen

Pfads. Aus sicherheitstechnischer Sicht ist es ausreichend,

nur den Raum um diesen speziellen Pfad zu

überwachen. Dazu wird der Kollisionssteuerung regelmäßig

die der Pfadsteuerung bekannte aktuelle Stellung

aller Achsen sowie die nächste anzufahrende Position

des Roboters übermittelt. Der mathematische Aufwand

zur Kollisionserkennung wird damit auf ein Minimum

reduziert, und die sicherheitstechnische Steuerung des

Roboters kann in Echtzeit erfolgen.

Bild 9 zeigt den Ablauf des Algorithmus graphisch. Die

Überwachung prüft als erstes, ob im nächsten Überwa-

58

atp edition

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chungszyklus (geplant 10 ms bis 100 ms) eine Kollision

mit der Umgebung vorliegt, wenn der Roboter mit maximaler

Geschwindigkeit in die geplante Richtung bewegt

wird. Ist dies nicht der Fall, wird die maximale benötigte

Geschwindigkeit der Achsen erlaubt.

Falls eine Kollision droht, wird die Geschwindigkeit

aller Achsen auf 50 % der geplanten Bahngeschwindigkeit

reduziert, und eine neue Kollisionsprüfung findet

statt. Hiernach wird die Geschwindigkeit iterativ um

50 % der vorhergehenden Anpassung erhöht, beziehungsweise

vermindert, je nachdem ob eine Kollision

festgestellt wurde.

Dieser Algorithmus führt nach nur 10 Kollisionsprüfungen

zu einer Genauigkeit von 0,1 % bei der Festlegung

der maximal erlaubten Geschwindigkeit. Mit dieser Geschwindigkeitsvorgabe

kann die Robotersteuerung kollisionsfrei

fahren. Das korrekte Einhalten der Geschwindigkeitswerte

erfolgt durch die Sicherheitssteuerung.

Um die geplante Bahn nicht zu verlassen, muss diese in

der Lage sein, alle Motoren auf die errechnete Geschwindigkeit

hin zu überwachen.

Zusammenfassung

Das vorgestellte System beschreibt ein Sicherheitskonzept

für kollaborierende Roboter. Als Sensorik werden

Ultraschallsensoren eingesetzt, die ein Sicherheitsfeld

um den Roboter aufspannen. Es wird dargestellt, wie diese

Sensoren parallel messen können, ohne die Messergebnisse

zur unsicheren Seite hin zu verfälschen. Die

vorgestellten Algorithmen lassen sich in der Regel einfach

in bestehende Roboterarbeitsplätze integrieren, in

den meisten Fällen sogar ohne Änderungen an den vorhandenen

Prozesssteuerungen zu erfordern. Eine voraus-

schauende Kollisionsprüfung wird vorgestellt, die den Rechenaufwand

für Geschwindigkeitsvorgaben auf ein Minimum

reduziert. Dadurch können Kollisionsprüfungen in

sehr kurzer Zykluszeit erfolgen.

Manuskripteingang

09.09.2010

ReferenZEn


[1] United States Patent 2988237, Inventors: Devol Jr., George C.

[2] Philadelphia Inquirer - August 11, 1983 - A10 NATIONAL

[3] IFR Statistical Department, World Robotics 2010

(http://www.worldrobotics.org/downloads/2009_executive_summary.pdf)

[4] Datenbank BG-PRÜFZERT – tested products

(http://www.hvbg-service.de/pruefz.tpl/produkt.htm)

[5] Pilz SafetyEye – (http://www.pilz.de/company/press/messages/sub/

products/articles/00951)

[6] Little brother is protecting you, Der Arbeits- und Gesundheitsschutz

entdeckt die Transponder-Technologie (Teil 1), holzinfo 132 Oktober –

Dezember 2008

[7] the DLR lightweight robot: Design and control concepts for robots in

human environments, The Industrial Robot Band 34 (2007) Heft 5, Seite

376-385, A. Albu-Schäffer, S. Haddadin, C Ott, A Stemmer, T Wimböck,

G Hirzinger; Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Germany

[8] technische Vorraussetzungen zur Mensch-Roboter Kooperation,

P. Heiligensetzer, (http://www.bg-metall.de/fileadmin/downloads/

FA_MFS/Symposien/Praesentation__KUKA.pdf)

[9] rob@work: Robot Assistant in Industrial Environments, MORPHA,

E. Helms, R. D. Schraft and M. Hägele, 2002

[10] Industrial jointed arm robot evading dynamic objects, Master Thesis,

Björn Ostermann, (http://www.maschinenbautage.eu/fileadmin/

veroeffentlichungen/Master_Thesis_Bjoern_Ostermann.pdf)

Autoren

M.Sc. Dipl.-Ing. (FH)

Björn Ostermann

(geb. 1980) hat 2009

den „Master of Science

in Autonomous

Systems“ erworben.

Zurzeit promoviert er

zum Thema kollaborierende

Roboter an

der Bergischen Universität Wuppertal im

Fachgebiet Sicherheitstechnik / Arbeitssicherheit.

Die Arbeit wird am Institut für

Arbeitschutz (IFA) durchgeführt.

Institut für Arbeitsschutz der Deutschen

Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA)

Fachbereich 5: Unfallverhütung /

Produktsicherheit,

Alte Heerstrasse 111, D-53757 Sankt Augustin,

Tel. +49 (0) 2241 231 26 70,

E-Mail: Bjoern.Ostermann@dguv.de

Dr. Michael HuELKE

(geb. 1959) ist

Dipl.-Ing. (TU)

Elektrotechnik. Er

leitet im Fachbereich

5 „Unfallverhütung

– Produktsicherheit“

das Referat „Neue

Technologien,

Mensch und Technik“ mit den Schwerpunkten

Funktionale Sicherheit sowie

biomechanische und kognitive Mensch-

Maschine-Schnittstellen.

Institut für Arbeitsschutz der Deutschen

Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA)

Fachbereich 5: Unfallverhütung /

Produktsicherheit,

Alte Heerstrasse 111, D-53757 Sankt Augustin,

Tel. +49 (0) 2241 231 26 44

E-Mail: Michael.Huelke@dguv.de

Prof. Dr.-Ing.-habil.

Anke KAHL

(geb. 1969) leitet an

der Bergischen

Universität Wuppertal

im Fachbereich

D das Fachgebiet

Sicherheitstechnik/

Arbeitssicherheit.

Zu ihren Gebieten gehört Methodik der

Arbeitssicherheit, Arbeitsschutz, und

Gefahrstoffmanagement. Sie ist unter

anderem Mitglied im Ausschuss für

Gefahrstoffe (AGS) am BMAS.

Bergische Universität Wuppertal,

FB D, Fachgebiet Sicherheitstechnik/

Arbeitssicherheit,

Gaußstraße 20, D-42119 Wuppertal,

Tel. +49 (0) 202 439 20 53,

E-Mail: akahl@uni-wuppertal.de

atp edition

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59

praxis

Robuste Laptops unterstützen die papierfreie und

lückenlose Dokumentation in der Pharmafertigung

Produktionsdurchführung, Chargenkontrolle und Qualitätsmanagement aus einem Guss

Mobil auch in

extremen uMgebungen:

Daiichi

Sankyo setzt robuste

Acturion-Laptops im

Werk Pfaffenhofen

ein. Bild: Acturion

Komplexe Produktionsabläufe und eine lückenlose Dokumentation

müssen Medikamentenhersteller managen. Mit robusten

Laptops, einem SAP-System und Wireless-Verbindungen laufen die

Prozesse im deutschen Werk des japanischen Pharmakonzerns

Daiichi Sankyo nun erheblich schneller und papierlos ab.

Bild: Daiichi Sankyo

Der japanische Pharmakonzern Daiichi Sankyo führte

in seinem deutschen Werk in Pfaffenhofen eine

durchgängige elektronische Dokumentation ein, die besonders

den Mitarbeitern in Logistik- und Produktion

völlige Mobilität und eine kontinuierliche Verbindung

zum Netzwerk sichert. Als Bestandteile dieses Systems

sorgen robuste Mobil-Computer, ein SAP-System und

drahtlose Verbindungen dafür, dass Produktionsdurchführung,

Chargenkontrolle und Qualitätsmanagement

ohne Medienbruch miteinander verbunden sind.

VOLLSTÄNDIGER CHARGEN-STAMMBAUM NÖTIG

Wer viele Länder der Welt mit selbst entwickelten und

produzierten Arzneimitteln versorgt, kennt die inhaltlichen

und logistischen Hürden internationaler Vielfalt:

Der jährliche Ausstoß mehrerer Milliarden Arzneimittel-

Einheiten zieht Chargennummern und Herstellernachweise

nach sich, die dauerhaft archiviert werden müssen.

Größen von Tabletten, Verpackungen oder Beilagen differieren,

die Packungsbeilage enthält eine unterschiedliche

Anzahl von Sprachen. Dies führt zu wechselnden

Kampagnen und komplizierten Umrüstungen in der Herstellung

und Konfektionierung.

Ohne elektronische Unterstützung meistern Unternehmen

diese Datenflut kaum. Hinzu kommt, dass nur ein

lückenloser Herstellungsnachweis entlang der gesamten

Wertschöpfungskette vor Haftungsansprüchen schützt,

die auf Verwendung von Plagiaten fußen. Auch die lückenlose

Rückverfolgbarkeit jeder einzelnen Charge gelingt

elektronisch ungleich zuverlässiger und schneller.

Zusätzlich erleichtert sie spätere Recherchen immens.

Wer je in mehreren prallvollen Papierordnern nach einer

bestimmten Chargennummer oder einem winzigen Detail

geforscht hat, weiß, wie viele Stunden und Nerven

das kostet. Und nicht zu vergessen: Es geht um Arzneimittel.

Ein vollständiger und durchgehender Chargen-

‚Stammbaum‘ vom Rohstoff bis zum ausgelieferten Fertigarzneimittel

bescheinigt Qualität und Know-how, die

im Produkt stecken.

UNEINGESCHRÄNKTE MOBILITÄT FÜR MITARBEITER

Der Pharmakonzern Daiichi Sankyo mit Hauptsitz in Tokyo

gehört zu den 20 weltweit größten Pharmaunternehmen.

29 000 Mitarbeiter entwickeln, produzieren und

distribuieren pharmazeutische Bulk- und Fertigarzneimittel

sowie Klinikmuster mit Schwerpunkt auf kardiovaskulären

Erkrankungen, Diabetes und Stoffwechselstörungen,

Knochen- und Gelenkleiden, Infektionskrankheiten,

Krebs und Störungen des Immunsystems. Die europäische

Produktionsstätte befindet sich in bayerischen

Pfaffenhofen. 400 Mitarbeiter produzieren dort jährlich

über 25 Millionen Packungen und zwei Milliarden Tabletten,

die in 50 Länder ausgeliefert werden.

2008 entschied sich das Werk in Pfaffenhofen für die

elektronische Dokumentation, um Produktionsdurchführung,

Chargenkontrolle und Qualitätsmanagement ohne

Medienbruch miteinander zu verbinden. Im Zuge dessen

fiel die Wahl auf die Einführung eines SAP-Systems. Mit-

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arbeiter gerade im Logistik- und Produktionsbereich sollten

überall völlige Mobilität und ständige Netzverbindung

genießen. „Jeder Beteiligte sollte von jedem Ort aus Daten

prüfen und eingeben, sich mit anderen austauschen können“,

so SAP User Support Oliver Oltmanns.

Die Frage lautete damals: Verkabelung oder Wireless?

Verkabelung bedeutet einen längeren Produktionsstillstand,

denn Wände aufzureißen raubt mehr Zeit als Antennen

zu installieren. Drahtlos gewann eindeutig und

warf die Frage nach geeigneten Terminals auf: Die verwendeten

Laptops müssen unbedingt industrietauglich

sein, denn im Produktionsalltag haben Mitarbeiter keine

Muße, ihre Arbeitshilfen mit Glacéhandschuhen anzufassen;

auch ein Sturz darf sie nicht beschädigen.

EXTREM ROBUSTER PCMCIA-SCHACHT

Ein weiteres maßgebliches Kriterium bildete die Kompatibilität

zu den zu nutzenden Funkscannern. Die zur

Verbindungsaufnahme erforderlichen Karten übertrafen

die Breite eines gewöhnlichen PCMCIA-Schacht ums

Doppelte. Doppelte Slots aber sind meist durch eine

hauchdünne Blechwand getrennt. Wichtig war also ein

doppelter PCMCIA-Schacht, der die Cards akzeptierte

– nur dann würde Daiichi-Sankyo seine IT-Lösung tatsächlich

ausschöpfen können.

Die gewünschte Stabilität, Kommunikationsfähigkeit

und den erforderlichen doppelten PCMCIA-Schacht fand

das Unternehmen beim ruggedized Computer Durios V12

des ebenfalls in Bayern beheimateten Systemhauses Acturion.

Schon seit mehr als zwei Jahren bewähren sich

die mittlerweile 56 robusten Rechner ebenso wie der

flexible Service der Hardwareexperten.

Die sowohl als Tablet-PC wie auch als Industrie-Notebook

einsetzbaren IT-Lösungen Durios V10 und V12 Ultra

trotzen widrigen Verhältnissen und weisen sehr hohe

Schutzklassen auf. Die full-ruggedized V-Serie eignet

sich daher für Einsätze in großer Kälte, bei Explosionsgefahr

sowie für Arbeiten mit Staub- oder Wasserkontakt.

Mit MIL-STD810G und MIL-STD 461F erfüllt die V-Reihe

militärische Normen: Die PCs bestanden Testszenarien

bei -51 °C. Staub und Flüssigkeiten schaden den

Komponenten der V-Serie nicht, Schutzklasse IP65 bescheinigt

Beständigkeit sogar bei Wasserstrahlen. Wer

bei seiner Tätigkeit Salzwasser ausgesetzt ist, wählt als

schützende Sonderoption die Verarbeitung von Edelstahlschrauben,

einer speziellen Oberflächenbeschichtung

sowie die Integration einer Gummitastatur.

EINSATZ IN HAZARDOUS ZONES

Die strenge europäische ATEX-Norm erlaubt eine Verwendung

dieser Acturion-Rechner in sogenannten Hazardous

Zones – Arealen mit brennbaren Gasen, Dämpfen und Stäuben,

in denen Explosionsgefahr herrscht. Sonnenlichtlesbares

Display, nutzerfreundliche Bedienung per Stift oder

Touchscreen und schockresistenter Festplattenschutz flankieren

die innen liegenden Leistungskomponenten.

Im geschlossenen Metallgehäuse arbeitet der Core-

2-Duo-Prozessor SU9400 von Intel mit 1,4 GHz Taktrate.

Die Basisvariante verfügt über 1 GB Arbeits-, 160 GB

Festplatten- und 384 MB Grafikspeicher. Für den Einsatz

im Büro steht eine externe Dockingstation zur Verfügung.

Um die speziellen Bedürfnisse des Nutzers zu erfüllen,

passt Acturion jedes der bestellten Geräte an die

Anwendungsgebiete an.

Bei Daiichi Sankyo kommen die Laptops in den Abteilungen

Herstellung, Konfektionierung und Lager/Versand

zum Einsatz. In der Feststoffherstellung und Konfektionierung

nehmen Mitarbeiter alle produkt- und

prozessspezifischen Daten elektronisch auf. Welcher

Wirkstoff ist in welche Mischung oder Granulat eingeflossen,

wann wurde welche Tablettencharge gepresst?

Welches Etikett und welche Faltschachtel wurden in der

Konfektionierung verarbeitet? Für jede dieser zahlreichen

Angaben füllen die SAP-geschulten Mitarbeiter

spezielle Eingabemasken in der elektronischen Herstellanweisung

aus.

SCHNELLERE PROZESSE UND WENIGER PAPIER

Die eingegebenen Produkt- und Prozessparameter werden

direkt online gegen die hinterlegten Grenzwerte

geprüft. Alle verwendeten Rohstoffe und Materialien

identifiziert der Funkscanner – die zugehörige Chargennummer

fließt in den Chargenverwendungsnachweis

ein, damit jeder Einsatzstoff des Gesamtprozesses nachvollziehbar

bleibt. Kritische Schritte im Prozess bestätigen

Bediener mit ihrer digitalen Signatur.

Im Bereich Lager/Versand verwalten User mithilfe

ihrer widerstandsfähigen Notebooks Warenlager sowie

Distribution und bilden den innerbetrieblichen Materialfluss

vollständig ab. „Der gesamte Prozess läuft

nicht nur viel schneller ab – ich freue mich auch sehr

darüber, dass die Unmengen an Papier endlich der Vergangenheit

angehören“, betont SAP User Support Oliver

Oltmanns, der den Mitarbeitern Umgang mit PC und

SAP nahebrachte.

Autor

Acturion Datasys GmbH,

Mühlweg 2a, D-82054 Sauerlach,

Tel. +49 (0) 8104 629 33 10,

E-Mail: o.husmann@acturion.com

Dipl.-Wirtsch.-Ing. Oliver

Husmann ist Geschäftsführer

von Acturion.

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Rosenheimer Straße 145

D-81671 München

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Carsten Augsburger

Jürgen Franke

Hans-Joachim Jauch

Herausgeber:

Dr. V. Huck

Dr. G. Kegel

Dipl.-Ing. H. Kumpfmüller

Dr. N. Kuschnerus

Beirat:

Dr.-Ing. K. D. Bettenhausen

Prof. Dr.-Ing. Ch. Diedrich

Prof. Dr.-Ing. U. Epple

Prof. Dr.-Ing. A. Fay

Prof. Dr.-Ing. M. Felleisen

Prof. Dr.-Ing. G. Frey

Prof. Dr.-Ing. P. Göhner

Dipl.-Ing. Th. Grein

Prof. Dr.-Ing. H. Haehnel

Dr.-Ing. J. Kiesbauer

Dipl.-Ing. R. Marten

Dipl.-Ing. G. Mayr

Dr. J. Nothdurft

Dr.-Ing. J. Papenfort

Dr. A. Wernsdörfer

Dipl.-Ing. D. Westerkamp

Dr. Ch. Zeidler

Organschaft:

Organ der GMA

(VDI/VDE-Gesell schaft Messund

Automatisierungs technik)

und der NAMUR

(Interessen gemeinschaft

Automatisierungs technik der

Prozessindustrie).

Redaktion:

Gerd Scholz (verantwortlich)

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Einreichung von Hauptbeiträgen:

Prof. Dr.-Ing. Leon Urbas

(Chefredakteur, verantwortlich

für die Hauptbeiträge)

Technische Universität Dresden

Fakultät Elektrotechnik

und Informationstechnik

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Fachredaktion:

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Dr. N. Kiupel

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monatlich mit einer Doppelausgabe im

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für alle übrigen Länder sind es

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Die atp wurde 1959 als „Regelungstechnische

Praxis – rtp“ gegründet.

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ISSN 2190-4111

Die Ausgabe 10 / 2011 der

erscheint am 4.10.2011

Mit folgenden Beiträgen:

Berechnung der Zuverlässigkeit

technischer Systeme

unter Feldbedingungen

Verfügbarkeitsberechnung von

Automatisierungsnetzwerken

Zuverlässigkeitsbewertung von

Automatisierungssystemen in

frühen Entwicklungsphasen

Leitfaden zur Entwicklung

von Safety-Applikationen

...und vielen weiteren Themen.

Aus aktuellem Anlass können sich die Themen

kurzfristig verändern.

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