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atp edition Konzept offener Regler: FPGA in der Antriebstechnik (Vorschau)

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6 / 2014<br />

56. Jahrgang B3654<br />

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH<br />

Automatisierungstechnische Praxis<br />

<strong>Konzept</strong> <strong>offener</strong> <strong>Regler</strong>:<br />

<strong>FPGA</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Antriebstechnik</strong> | 26<br />

Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Effizienz<br />

automatisch messen – Teil 2 | 34<br />

OPC UA für Industrie 4.0 | 44<br />

Virtuelle Inbetriebnahme<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> Prozess<strong>in</strong>dustrie | 52


update<br />

ATP EDITION | | BRANCHE | | VERANSTALTUNGEN | | FORSCHUNG | | PRODUKTE<br />

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DIE AUTOMATION<br />

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EDITORIAL<br />

Industrie 4.0 –<br />

mehr als e<strong>in</strong> Hype!<br />

Internet-Technologien haben unsere Welt <strong>in</strong> vielen Bereichen<br />

nachhaltig verän<strong>der</strong>t. Die Geschäftsmodelle vieler Bereiche wie<br />

Versandhandel, Musik<strong>in</strong>dustrie o<strong>der</strong> Pr<strong>in</strong>tmedien wurden teilweise<br />

auf den Kopf gestellt. Google, Wikipedia, Facebook und<br />

Twitter s<strong>in</strong>d Anwendungen, für die es vor zehn bis 15 Jahren noch<br />

nicht e<strong>in</strong>mal e<strong>in</strong> Geschäftsmodell gab!<br />

Wird das „Internet <strong>der</strong> D<strong>in</strong>ge“ nun die <strong>in</strong>dustrielle Produktion<br />

<strong>in</strong> gleicher Weise umwälzen? Werden auch im Industriesektor <strong>in</strong><br />

zehn bis 15 Jahren milliardenschwere Konzerne entstanden se<strong>in</strong>,<br />

<strong>der</strong>en Geschäftsmodelle <strong>in</strong> unserer heutigen Vorstellung noch<br />

gar nicht vorkommen?<br />

Die globale Vernetzung von Industrien stellt allerd<strong>in</strong>gs deutlich<br />

strengere Anfor<strong>der</strong>ungen an das Internet <strong>der</strong> D<strong>in</strong>ge. Auch <strong>in</strong><br />

e<strong>in</strong>em globalen Netz muss es mathematische, determ<strong>in</strong>ierte Modelle<br />

für Sicherheit und Verfügbarkeit geben, die weit über die<br />

heute verfügbaren Technologien h<strong>in</strong>ausgehen. Hier s<strong>in</strong>d Forschungs-<br />

und Entwicklungsaufwendungen erfor<strong>der</strong>lich, die von<br />

e<strong>in</strong>zelnen Unternehmen nicht geleistet werden können, ja vielleicht<br />

nicht e<strong>in</strong>mal geleistet werden dürfen – e<strong>in</strong> europäischer<br />

Kraftakt, für den zahlreiche Köpfe aus <strong>der</strong> Industrie, vor allem<br />

aber aus <strong>der</strong> Forschung notwendig s<strong>in</strong>d. Ohne determ<strong>in</strong>ierte Sicherheit<br />

und Verfügbarkeit wird das <strong>in</strong>dustrielle Internet <strong>der</strong><br />

D<strong>in</strong>ge auf immer aus proprietären Insellösungen bestehen – weit<br />

entfernt von <strong>der</strong> Vision Industrie 4.0.<br />

Sicherheit und Verfügbarkeit im Internet <strong>der</strong> D<strong>in</strong>ge s<strong>in</strong>d nichts<br />

an<strong>der</strong>es als e<strong>in</strong>e unabd<strong>in</strong>gbar notwendige Infrastruktur für die<br />

erfolgreiche Weiterentwicklung <strong>in</strong>dustrieller Tätigkeit <strong>in</strong><br />

Deutschland und Europa. Für den Aufbau dieser Infrastruktur<br />

s<strong>in</strong>d Industrie, Verbände, Forschung und Politik gleichermaßen<br />

gefor<strong>der</strong>t. Hun<strong>der</strong>te von E<strong>in</strong>zelprojekten aus Dutzenden unterschiedlicher<br />

För<strong>der</strong>töpfe s<strong>in</strong>d <strong>der</strong> falsche Weg. Nur e<strong>in</strong>e gebündelte<br />

Aktion kann hier zielführend se<strong>in</strong>!<br />

DR.-ING.<br />

GUNTHER KEGEL,<br />

Vorsitzen<strong>der</strong> <strong>der</strong><br />

Geschäftsleitung<br />

Pepperl+Fuchs GmbH<br />

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

6 / 2014<br />

3


INHALT 6 / 2014<br />

FORSCHUNG<br />

6 | DFKI Bremen testet Tauchroboter realitätsnah und<br />

witterungsunabhängig <strong>in</strong> großem Salzwasserbecken<br />

Call for Experts: System-of-Systems Automation<br />

VERBAND<br />

8 | Westerkamp koord<strong>in</strong>iert VDI-Fachgesellschaften –<br />

GMA bekommt e<strong>in</strong>en neuen Geschäftsführer<br />

Profibus-Nutzer bestätigen Vorstand und Beirat<br />

Der Zusammenschluss von Fieldbus Foundation und<br />

Hart Communication Foundation rückt näher<br />

BRANCHE<br />

10 | Sensorik und Messtechnik optimistisch:<br />

2014 soll erneut e<strong>in</strong> Plus von sieben Prozent erzielt werden<br />

Elektrische Automation erhofft leichtes Plus –<br />

Prozessautomatisierer wachsen gegen den Trend<br />

11 | Leitplanken für Industrie 4.0: Verbände wollen das<br />

Internet <strong>der</strong> D<strong>in</strong>ge geordnet aufs Gleis setzen<br />

VDI/VDE-Richtl<strong>in</strong>ienentwurf: Praxistipps für die Nutzung<br />

berührungsloser Temperaturmesstechnik<br />

PRAXIS | SENSORTECHNIK<br />

12 | Embedded-Messsysteme für Oberflächen und Fluide:<br />

Farbsensoren bieten viele Möglichkeiten<br />

16 | Intelligent und effizient: Temperaturmessung mit<br />

Grenzwertschaltern schützt Mensch und Anlage<br />

18 | Kont<strong>in</strong>uierliche Messung des pH-Werts zeigt Lecks<br />

<strong>in</strong> Kühlanlagen mit Ammoniak zuverlässig an<br />

20 | Laufende Echtzeitmessung des Alkoholgehalts im<br />

Destillat sorgt für höchste Qualität <strong>der</strong> Brände<br />

22 | Wo hoch präzise Glasmaßstäbe schwächeln,<br />

punkten <strong>in</strong>duktive Wegsensoren mit Robustheit<br />

4<br />

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

6 / 2014


PRAXIS<br />

24 | Aufgearbeitet statt neu:<br />

Perfektes Nachschleifen vervielfacht<br />

die Lebensdauer von Werkzeugen<br />

HAUPTBEITRÄGE<br />

Produkte,<br />

Systeme<br />

und Service<br />

für die<br />

Prozess<strong>in</strong>dustrie?<br />

Natürlich.<br />

26 | <strong>Konzept</strong> <strong>offener</strong> <strong>Regler</strong>:<br />

<strong>FPGA</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Antriebstechnik</strong><br />

P. ZAHN, I. LAPTEV UND A. VERL<br />

34 | Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Effizienz<br />

automatisch messen – Teil 2<br />

R. DRATH, C. MESSINGER, B. SCHRÖTER, N. LI<br />

UND G. GUTERMUTH<br />

44 | OPC UA für Industrie 4.0<br />

K.-H. DEIRETSBACHER UND W. MAHNKE<br />

HAUPTBEITRAG | NAMUR-HAUPTSITZUNG<br />

52 | Virtuelle Inbetriebnahme<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> Prozess<strong>in</strong>dustrie<br />

RUBRIKEN<br />

R. CHAN UND M. KRAUSS<br />

3 | Editorial<br />

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

Ist Ihre Produktionsanlage auf dem<br />

neuesten Stand? S<strong>in</strong>d alle Korrekturen<br />

im Leitsystem e<strong>in</strong>gespielt? S<strong>in</strong>d alle<br />

Sicherheitslücken geschlossen?<br />

Ist Ihr System gegen Cyber-Angriffe<br />

und Bedrohungen geschützt?<br />

Läuft Ihre Anlage optimal? Ist sie<br />

vollständig und korrekt konfiguriert?<br />

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FORSCHUNG<br />

DFKI Bremen testet Tauchroboter realitätsnah und<br />

witterungsunabhängig <strong>in</strong> großem Salzwasserbecken<br />

3,4 MILLIONEN LITER SALZWASSER fasst das<br />

neue Testbecken für Robotik-Forschung. Bild: DFKI<br />

Das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz<br />

(DFKI) hat <strong>in</strong> Bremen se<strong>in</strong>e Maritime Explorationshalle<br />

eröffnet. Kernstück <strong>der</strong> europaweit<br />

e<strong>in</strong>maligen Testanlage für Tauchroboter ist e<strong>in</strong> 3,4 Mio.<br />

Liter fassendes Salzwasserbecken. Hier entwickeln<br />

Wissenschaftler künftig Systeme, die zur Inspektion<br />

von Schiffen und Pipel<strong>in</strong>es, zur Erkundung unbekannter<br />

Gewässer o<strong>der</strong> zur Reparatur von Offshore-<br />

Anlagen wie W<strong>in</strong>dparks e<strong>in</strong>gesetzt werden. E<strong>in</strong> weiteres<br />

Anwendungsfeld ist das Erschließen von Bodenschätzen<br />

und Energiereserven aus <strong>der</strong> Tiefsee.<br />

Das 23 Meter lange, 19 Meter breite und acht Meter<br />

tiefe Salzwasserbecken schafft dafür ideale Forschungs-<br />

bed<strong>in</strong>gungen, denn: „Testläufe s<strong>in</strong>d von <strong>der</strong> Witterung<br />

unabhängig, kontrollier- und beobachtbar und vor allem<br />

realitätsnah“, erläutert Professor Dr. Frank Kirchner,<br />

Standortleiter des DFKI <strong>in</strong> Bremen und Direktor des<br />

Forschungsbereichs Robotics Innovation Center. Zusätzliche<br />

Labore komplettieren die neue Halle. Darunter<br />

s<strong>in</strong>d e<strong>in</strong>e Druckkammer, <strong>in</strong> <strong>der</strong> Komponenten bei<br />

Wasserdrücken geprüft werden, die bis zu 6000 Meter<br />

Tiefe entsprechen, weitere separate Wasserbass<strong>in</strong>s und<br />

e<strong>in</strong>e virtuelle 3D-Testumgebung.<br />

Mit <strong>der</strong> neuen Anlage erweitert das DFKI <strong>in</strong> Bremen<br />

se<strong>in</strong>e Laborlandschaft, die bereits seit 2010 über e<strong>in</strong>e<br />

Weltraum-Explorationshalle verfügt. Hier werden Roboter<br />

für E<strong>in</strong>sätze im All entwickelt und getestet. Beide<br />

Anwendungsfel<strong>der</strong> haben Geme<strong>in</strong>samkeiten: Sowohl<br />

unter Wasser als auch im Weltraum herrschen harsche<br />

Bed<strong>in</strong>gungen, die spezielle Herausfor<strong>der</strong>ungen an autonom<br />

handelnde Roboter stellen, darunter Schwerelosigkeit,<br />

e<strong>in</strong>geschränkte Kommunikations- und Sichtmöglichkeiten.<br />

Ziel ist es, Erkenntnisse aus <strong>der</strong> Weltraumtechnik,<br />

die bereits seit 2006 <strong>in</strong>tensiv erforscht<br />

wird, <strong>in</strong> maritime Technologien zu übertragen. Rund<br />

3,65 Mio. Euro wurden aus dem Europäischen Fonds für<br />

regionale Entwicklung (EFRE) und aus Mitteln des Landes<br />

Bremen für den Neubau zur Verfügung gestellt. Das<br />

DFKI kof<strong>in</strong>anzierte vier Mio. Euro. <br />

(gz)<br />

DEUTSCHES FORSCHUNGSZENTRUM FÜR<br />

KÜNSTLICHE INTELLIGENZ GMBH, DFKI,<br />

Trippstadter Straße 122, D-67663 Kaiserslautern,<br />

Tel. +49 (0) 631 20 57 50, Internet: www.dfki.de<br />

Call for <strong>atp</strong> experts: System-of-Systems Automation<br />

IN AUSGABE 56(12) DER ATP EDITION im<br />

Dezember 2014 diskutiert die <strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

die Standardisierung von Modulen und<br />

die Komposition von neuen Systemen aus<br />

bestehenden Systemen. Dieser Ansatz<br />

stellt e<strong>in</strong>en Weg dar, um höhere Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Effizienz<br />

und ger<strong>in</strong>gere Kosten<br />

durch Skaleneffekte zu erzielen.<br />

Die Ingenieurkunst bei dieser Aufgabe<br />

liegt nun dar<strong>in</strong>, anstatt jedes Mal aus<br />

dem Vollen zu schnitzen die richtigen<br />

Systeme auszuwählen und diese mit m<strong>in</strong>imalem<br />

Aufwand zu e<strong>in</strong>em Gesamtsystem<br />

zusammenzustellen. Insbeson<strong>der</strong>e<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> Automobil<strong>in</strong>dustrie, im Schiffbau<br />

und <strong>in</strong> <strong>der</strong> Kraftwerks<strong>in</strong>dustrie wird dieser<br />

Lösungsweg erfolgreich e<strong>in</strong>geschlagen.<br />

In Ausgabe 56(12) wollen wir e<strong>in</strong>en<br />

aktuellen Blick auf wissenschaftliche<br />

Grundlagen werfen und Ihre Lösungsansätze<br />

und praktischen Erfahrungen vorstellen.<br />

Wir bitten Sie, bis zum 8. August zu diesem<br />

Themenschwerpunkt e<strong>in</strong>en gemäß<br />

<strong>der</strong> Autorenrichtl<strong>in</strong>ien <strong>der</strong> <strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />

ausgearbeiteten Hauptbeitrag per E-Mail<br />

an urbas@di-verlag.de e<strong>in</strong>zureichen.<br />

Die <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> ist die hochwertige Monatspublikation<br />

für Fach- und Führungskräfte<br />

<strong>der</strong> Automatisierungsbranche. In<br />

den Hauptbeiträgen werden die Themen<br />

mit hohem wissenschaftlichem und technischem<br />

Anspruch und vergleichsweise<br />

abstrakt dargestellt. Im Journalteil werden<br />

praxisnahe Erfahrungen von Anwen<strong>der</strong>n<br />

mit neuen Technologien, Prozessen<br />

o<strong>der</strong> Produkten beschrieben. Alle Beiträge<br />

werden von e<strong>in</strong>em Fachgremium begutachtet.<br />

Sollten Sie sich selbst aktiv an<br />

dem Begutachtungsprozess beteiligen<br />

wollen, bitten wir um kurze Rückmeldung.<br />

Für weitere Rückfragen stehen wir<br />

Ihnen selbstverständlich gerne zur Verfügung.<br />

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

Leon Urbas, Aljona Hartstock,<br />

Gerd Scholz<br />

CALL FOR<br />

Aufruf zur Beitragse<strong>in</strong>reichung<br />

Thema: System-of-Systems Automation<br />

Kontakt: urbas@di-verlag.de<br />

Term<strong>in</strong>: 08. August 2014<br />

6<br />

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

6 / 2014


Skalierbare Steuerungstechnik<br />

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VERBAND<br />

Westerkamp koord<strong>in</strong>iert VDI-Fachgesellschaften<br />

– GMA bekommt e<strong>in</strong>en neuen Geschäftsführer<br />

Dipl.-Ing. Dieter Westerkamp hat die Leitung<br />

des Bereichs „Technik und Wissenschaft“<br />

im VDI übernommen. Er folgt damit<br />

auf Volker Wanduch, <strong>der</strong> nach 35 Jahren im<br />

DIETER WESTER- VDI altersbed<strong>in</strong>gt ausscheidet. An wen Dieter<br />

Westerkamp se<strong>in</strong>e bisherige Aufgabe als<br />

KAMP: Als VDI-<br />

Bereichsleiter Geschäftsführer <strong>der</strong> VDI/VDE-Gesellschaft<br />

für Wissenschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA)<br />

und Technik abgibt, war bis Redaktionsschluss dieser<br />

koord<strong>in</strong>iert er nun Ausgabe <strong>der</strong> <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> noch nicht bekannt.<br />

unter an<strong>der</strong>em die Westerkamp ist Ingenieur <strong>der</strong> Elektrotechnik<br />

und wechselte 1998 nach beruf-<br />

zwölf Fachgesellschaften.<br />

Bild: VDI lichen Stationen im Anlagenbau zum VDI.<br />

Hier begann er als Wissenschaftlicher Mitarbeiter<br />

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

(GMA), <strong>der</strong>en Geschäftsführung<br />

er 2002 übernahm. Im weiteren Verlauf wurden<br />

ihm im VDI Tätigkeiten als Abteilungsleiter und als<br />

Stellvertreter des Bereichsleiters „Technik und Wissenschaft“<br />

übertragen.<br />

Zu se<strong>in</strong>en Aufgaben gehört die Koord<strong>in</strong>ation <strong>der</strong> Aktivitäten<br />

<strong>der</strong> zwölf VDI-Fachgesellschaften mit ihren<br />

großen Netzwerken von etwa 10.000 ehrenamtlich tätigen<br />

Experten aus Wirtschaft, Wissenschaft und Verwaltung.<br />

In rund 600 Fach- und Richtl<strong>in</strong>ienausschüssen<br />

erfolgt für alle Beteiligten e<strong>in</strong> wertvoller Wissens- und<br />

Erfahrungstransfer. E<strong>in</strong> e<strong>in</strong>zigartiges Know-how wird<br />

dort gebündelt. Die Ergebnisse <strong>der</strong> Gremientätigkeit münden<br />

unter an<strong>der</strong>em jährlich <strong>in</strong> über 230 VDI-Richtl<strong>in</strong>ien,<br />

die den aktuellen Stand <strong>der</strong> Technik wie<strong>der</strong>geben und<br />

e<strong>in</strong>e wichtige Unterstützung und Entscheidungsgrundlage<br />

für die Arbeit von Ingenieuren darstellen. (gz)<br />

VDI – VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE E.V.,<br />

VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,<br />

Tel. +49 (0) 211 621 40, Internet: www.vdi.de<br />

Profibus-Nutzer bestätigen Vorstand und Beirat<br />

Vorstand und Beirat <strong>der</strong> Profibus-Nutzerorganisation<br />

(PNO) bleiben nahezu unverän<strong>der</strong>t. Die Mitglie<strong>der</strong>versammlung<br />

bestätigte die drei Vorstandsmitglie<strong>der</strong> für<br />

weitere drei Jahre <strong>in</strong> ihren Ämtern: den Vorstandsvorsitzenden<br />

Karsten Schnei<strong>der</strong> (Siemens AG) sowie als weitere<br />

Vorstandsmitglie<strong>der</strong> Klaus-Peter L<strong>in</strong>dner (Endress + Hauser<br />

Process Solutions) und Prof. Dr. Frithjof Klasen (Institut<br />

Automation & Industrial IT, AIT) <strong>der</strong> FH Köln.<br />

Wie<strong>der</strong>gewählt wurden ebenfalls die Beiräte Dr. Thomas<br />

Albers (Wago), Christoph Behler (Mitsubishi Electric),<br />

Jürgen George (Pepperl+Fuchs), Uwe Gräff (Festo),<br />

Ernst Jäger (Emerson), Mart<strong>in</strong> Müller (Phoenix Contact)<br />

sowie Gerhard Mutter (Sick). Neu aufgenommen <strong>in</strong> den<br />

Beirat wurde Henk van <strong>der</strong> Bent von Yokogawa.<br />

Der Beirat steuert technische Ausrichtung und Weiterentwicklung<br />

von Profibus, Prof<strong>in</strong>et und IO-L<strong>in</strong>k. Die<br />

Beiräte werden <strong>in</strong> ihrer Arbeit durch die Leiter <strong>der</strong> sechs<br />

Technical Committees <strong>der</strong> PNO unterstützt. (gz)<br />

PROFIBUS-NUTZERORGANISATION,<br />

Haid-und-Neu-Straße 7, D-76131 Karlsruhe,<br />

Tel. +49 (0) 721 965 85 90, Internet: www.profibus.com<br />

8<br />

Der Zusammenschluss von Fieldbus Foundation<br />

und Hart Communication Foundation rückt näher<br />

Der Zusammenschluss <strong>der</strong> Fieldbus Foundation mit<br />

<strong>der</strong> Hart Communication Foundation rückt offenbar<br />

<strong>in</strong> Reichweite. Die Fieldbus Foundation verkündete<br />

jüngst, die Verhandlungen über e<strong>in</strong>e Fusion seien erheblich<br />

vorangekommen.<br />

Beide Organisationen hatten im September e<strong>in</strong> Memorandum<br />

of Un<strong>der</strong>stand<strong>in</strong>g unterzeichnet. Seither haben<br />

Teams bei<strong>der</strong> Seiten die Aspekte des möglichen Zusammenschlusses<br />

diskutiert. Untersucht werden dabei mögliche<br />

Vorteile für Endnutzer, Zulieferer und die beiden<br />

Organisationen selbst, mögliche Strukturen e<strong>in</strong>er fusionierten<br />

Organisation sowie die f<strong>in</strong>anziellen und rechtlichen<br />

Aspekte. Erste Ergebnisse ließen den Zusammenschluss<br />

als s<strong>in</strong>nvoll ersche<strong>in</strong>en.<br />

Wenn die Arbeitsgruppen ihre Untersuchungen beendet<br />

haben, sollen sie den Vorständen bei<strong>der</strong> Organisati-<br />

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

6 / 2014<br />

onen e<strong>in</strong>en Ergebnisbericht und Empfehlungen vorlegen.<br />

Fieldbus- und Hart-Vorstände entscheiden dann<br />

separat über die Fortführung <strong>der</strong> Fusionsbemühungen.<br />

Fieldbus Foundation und Hart Communication Foundation<br />

kennen sich schon lange aufgrund <strong>in</strong>tensiver<br />

Zusammenarbeit. Beispielsweise kooperierten beide bei<br />

Entwicklung geme<strong>in</strong>samer <strong>in</strong>ternationaler Standards<br />

wie <strong>der</strong> Electronic Device Description Language (EDDL)<br />

und zuletzt bei <strong>der</strong> Spezifikation für die Field Device<br />

Integration (FDI).<br />

(gz)<br />

FIELDBUS FOUNDATION,<br />

9005 Mounta<strong>in</strong> Ridge Drive, Bowie Bldg – Suite 200,<br />

Aust<strong>in</strong>, TX 78759-5316, USA,<br />

Tel. +1 (0) 512 794 88 90,<br />

Internet: www.fieldbus.org


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Die Qualität <strong>der</strong> wissenschaftlichen Hauptbeiträge<br />

sichert e<strong>in</strong> strenges Peer-Review-Verfahren. Bezug<br />

zur automatisierungstechnischen Praxis nehmen außerdem<br />

die kurzen Journalbeiträge aus <strong>der</strong> Fertigungs- und<br />

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Vorteilsanfor<strong>der</strong>ung per Fax: +49 Deutscher 931 Industrieverlag / 4170-494 GmbH | Arnulfstr. o<strong>der</strong> 124 abtrennen | 80636 München und im Fensterumschlag e<strong>in</strong>senden<br />

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Alle Preise s<strong>in</strong>d Jahrespreise und verstehen sich <strong>in</strong>klusive Mehrwertsteuer. Nur wenn ich nicht bis 8 Wochen<br />

vor Bezugsjahresende kündige, verlängert sich <strong>der</strong> Bezug zu regulären Konditionen um e<strong>in</strong> Jahr.<br />

Firma/Institution<br />

Vorname, Name des Empfängers<br />

Straße / Postfach, Nr.<br />

Land, PLZ, Ort<br />

Antwort<br />

Leserservice <strong>atp</strong><br />

Postfach 91 61<br />

97091 Würzburg<br />

Telefon<br />

E-Mail<br />

Branche / Wirtschaftszweig<br />

Telefax<br />

Wi<strong>der</strong>rufsrecht: Sie können Ihre Vertragserklärung <strong>in</strong>nerhalb von zwei Wochen ohne Angabe von Gründen <strong>in</strong> Textform (z.B.<br />

Brief, Fax, E-Mail) o<strong>der</strong> durch Rücksendung <strong>der</strong> Sache wi<strong>der</strong>rufen. Die Frist beg<strong>in</strong>nt nach Erhalt dieser Belehrung <strong>in</strong> Textform. Zur<br />

Wahrung <strong>der</strong> Wi<strong>der</strong>rufsfrist genügt die rechtzeitige Absendung des Wi<strong>der</strong>rufs o<strong>der</strong> <strong>der</strong> Sache an den Leserservice <strong>atp</strong>, Postfach<br />

9161, 97091 Würzburg.<br />

✘<br />

Ort, Datum, Unterschrift<br />

PAATPE2014<br />

Nutzung personenbezogener Daten: Für die Auftragsabwicklung und zur Pflege <strong>der</strong> laufenden Kommunikation werden personenbezogene Daten erfasst und gespeichert. Mit dieser Anfor<strong>der</strong>ung erkläre ich mich damit e<strong>in</strong>verstanden,<br />

dass ich vom DIV Deutscher Industrieverlag o<strong>der</strong> vom Vulkan-Verlag per Post, per Telefon, per Telefax, per E-Mail, nicht über <strong>in</strong>teressante, fachspezifische Medien und Informationsangebote <strong>in</strong>formiert und beworben werde.<br />

Diese Erklärung kann ich mit Wirkung für die Zukunft je<strong>der</strong>zeit wi<strong>der</strong>rufen.


BRANCHE<br />

Sensorik und Messtechnik optimistisch: 2014 soll<br />

erneut e<strong>in</strong> Plus von sieben Prozent erzielt werden<br />

Die Unternehmen <strong>der</strong> Sensorik und Messtechnik gehen<br />

mit breiter Brust <strong>in</strong> die Messe Sensor + Test Anfang<br />

Juni <strong>in</strong> Nürnberg. Die Branche hat <strong>in</strong> den vergangenen<br />

knapp zehn Jahren e<strong>in</strong> enormes Wachstum erlebt<br />

– und rechnet für 2014 mit e<strong>in</strong>er Fortsetzung des positiven<br />

Trends. Trotz des E<strong>in</strong>bruchs von 2009 ergibt sich<br />

im Mittel seit 2005 e<strong>in</strong> jährliches Plus von 6,3 Prozent.<br />

„Die Geschäftserwartungen unserer Mitglie<strong>der</strong> stehen<br />

auf Wachstum“, fasst Thomas Simmons, Geschäftsführer<br />

des AMA Verband für Sensorik und Messtechnik,<br />

die aktuelle Branchenauswertung zusammen. „E<strong>in</strong>e<br />

‚Industrie 4.0‘ ist ohne <strong>in</strong>telligente Sensoren und Mess-<br />

Umsatz Sensorik und Messtechnik<br />

Jahreswerte, Vergleich mit 2005 (Index 100%)<br />

180%<br />

160%<br />

140%<br />

120%<br />

100%<br />

2008<br />

2009<br />

zum Vergleich:<br />

+6,3% pro Jahr<br />

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014<br />

DER GIPFELSTURM<br />

GEHT WEITER:<br />

Die Branche hat den<br />

E<strong>in</strong>bruch von 2009<br />

komplett wettgemacht.<br />

Quelle: AMA Verband für<br />

Sensorik und Messtechnik<br />

technik nicht umsetzbar, nicht zuletzt deshalb blickt<br />

unsere Branche zuversichtlich auf das laufende Geschäftsjahr.“<br />

Aus e<strong>in</strong>er Umfrage des AMA unter se<strong>in</strong>en Mitglie<strong>der</strong>n<br />

ergibt sich, dass <strong>der</strong> Branchenumsatz 2013 um drei Prozent<br />

zulegte. Für das laufende Jahr erwarten die AMA-<br />

Mitglie<strong>der</strong> e<strong>in</strong> weiteres, deutliches Umsatzwachstum<br />

von sieben Prozent.<br />

Sehr hoch liegt die Quote <strong>der</strong> Forschungs- und Entwicklungsausgaben<br />

bei den Unternehmen <strong>der</strong> Sensorik<br />

und Messtechnik. Die überwiegend mittelständischen<br />

Unternehmen <strong>in</strong>vestieren zehn Prozent des Umsatzes <strong>in</strong><br />

Forschung und Entwicklung. Die Exportquote <strong>der</strong> AMA<br />

Mitglie<strong>der</strong> stabilisierte sich 2013 mit 40 Prozent auf Vorjahresniveau.<br />

Exporte <strong>in</strong>s europäische Ausland stiegen<br />

wie<strong>der</strong> um drei Prozentpunkte auf 25 Prozent an. Die<br />

Exportquote <strong>in</strong>s nicht europäische Ausland sank um<br />

zwei Prozentpunkte auf 17 Prozent.<br />

Die Branche <strong>in</strong>vestiert und steigerte die Investitionen<br />

im letzten Jahr um weitere drei Prozent, für das Geschäftsjahr<br />

2014 rechnen AMA-Mitglie<strong>der</strong> mit e<strong>in</strong>em<br />

Investitionsanstieg von acht Prozent. Auch die Zahl <strong>der</strong><br />

Mitarbeiter dürfte weiter zunehmen. <br />

(gz)<br />

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

Sophie-Charlotten-Str. 15,<br />

D-14059 Berl<strong>in</strong>,<br />

Tel. +49 (0) 30 221 90 36 20,<br />

Internet: www.ama-sensorik.de<br />

10<br />

Elektrische Automation erhofft leichtes Plus –<br />

Prozessautomatisierer wachsen gegen den Trend<br />

Die deutsche Automatisierungs<strong>in</strong>dustrie geht von e<strong>in</strong>er<br />

Rückkehr zu leichtem Wachstum im laufenden<br />

Jahr aus, nachdem man 2013 e<strong>in</strong>e Stagnation erlebte. Die<br />

Teilbranche Prozessautomatisierung allerd<strong>in</strong>gs konnte<br />

im vorigen Jahr mit e<strong>in</strong>em Plus von 2,8 Prozent besser<br />

abschneiden. Daniel Huber, im Vorstand des ZVEI-Fachverbands<br />

Automation für diese Technologie zuständig,<br />

berichtet: „Nach dem starken Wachstum <strong>in</strong> den USA<br />

durch die Frack<strong>in</strong>g-Technologie <strong>in</strong> den zurückliegenden<br />

Jahren, betrug <strong>der</strong> Umsatz-Zuwachs 2013 dort nur noch<br />

0,5 Prozent. Nur das Geschäft mit Ch<strong>in</strong>a konnte 3,7 Prozent<br />

Wachstum generieren.“<br />

„Die gesamte Elektro<strong>in</strong>dustrie erwartet 2014 etwa<br />

zwei Prozent Wachstum. Von <strong>der</strong> Automation glauben<br />

wir, dass sie noch e<strong>in</strong>e Schippe drauflegen kann“, gab<br />

sich Dr.-Ing. Gunther Kegel, Vorstandsvorsitzen<strong>der</strong> des<br />

ZVEI-Fachverbands Automation, vorsichtig optimistisch.<br />

Der Umsatz mit elektrischer Automatisierungstechnik<br />

ist im gesamten Jahr 2013 um 0,3 Prozent auf<br />

47,5 Milliarden Euro zurückgegangen.<br />

Der Export konnte 2013 um 2,2 Prozent auf 33,1 Milliarden<br />

Euro zulegen nach plus 3,8 Prozent im Jahr zuvor.<br />

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

6 / 2014<br />

Die Exportquote <strong>der</strong> deutschen Automatisierungs<strong>in</strong>dustrie<br />

liegt damit weiterh<strong>in</strong> über 80 Prozent. „Die stärksten<br />

Exportmärkte waren Ch<strong>in</strong>a mit 13 Prozent und die USA<br />

mit elf Prozent Anteil. Beide kamen auf e<strong>in</strong> Wachstum<br />

von jeweils sechs Prozent“, so Kegel.<br />

Die Importe von elektrischer Automatisierungstechnik<br />

s<strong>in</strong>d um 3,8 Prozent auf 17,7 Milliarden Euro gewachsen.<br />

Das Wachstum <strong>der</strong> E<strong>in</strong>fuhren aus Ch<strong>in</strong>a betrug<br />

8,4 Prozent auf 1,6 Milliarden Euro. Der überwiegende<br />

Teil davon s<strong>in</strong>d laut ZVEI ‚Inter-Company-Importe‘ deutscher<br />

Unternehmen. Risiken für die Automatisierungskonjunktur<br />

sieht Kegel im Konflikt um die Ukra<strong>in</strong>e.<br />

Bereits jetzt verschöben o<strong>der</strong> stornierten russische Unternehmen<br />

Investitionen. 2013 exportierte die Automationsbranche<br />

Produkte für e<strong>in</strong>e Milliarde Euro nach<br />

Russland und <strong>der</strong> Bestand an Direkt<strong>in</strong>vestitionen liegt<br />

bei 1,2 Milliarden Euro.<br />

(gz)<br />

ZVEI – ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK- UND<br />

ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V.,<br />

Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Ma<strong>in</strong>,<br />

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


Leitplanken für Industrie 4.0: Verbände wollen<br />

das Internet <strong>der</strong> D<strong>in</strong>ge geordnet aufs Gleis setzen<br />

Das Zukunftsthema Industrie 4.0 wollen mehrere Verbände<br />

nicht dem Zufall überlassen, son<strong>der</strong>n <strong>in</strong> erfolgversprechende<br />

Bahnen lenken. Um die Diskussion voranzubr<strong>in</strong>gen,<br />

hat etwa <strong>der</strong> VDI kürzlich drei Statusberichte<br />

zu Wertschöpfungsketten, Komponenten und Referenzmodellen<br />

zum Thema Industrie 4.0 <strong>in</strong> Deutschland<br />

veröffentlicht. Die VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und<br />

Automatisierungstechnik (GMA) hebt <strong>in</strong> diesem Zusammenhang<br />

hervor, damit Industrie 4.0 Realität werde,<br />

müssten die richtigen Voraussetzungen geschaffen werden.<br />

Es seien globale Standards notwendig. Den weltweiten<br />

Wettlauf werde jenes Land gew<strong>in</strong>nen, das die beste<br />

Strategie sowie nutz- und gew<strong>in</strong>nbr<strong>in</strong>gende Ideen für<br />

Geschäftsmodelle präsentiere. Ob Deutschland <strong>in</strong> Zukunft<br />

die Nase vorn haben werde, sei e<strong>in</strong>e Frage <strong>der</strong><br />

schnellen Umsetzung, <strong>der</strong> geme<strong>in</strong>samen Überw<strong>in</strong>dung<br />

von Herausfor<strong>der</strong>ungen wie Standardisierung, sichere<br />

IT-Strukturen sowie geeignete Bus<strong>in</strong>essmodelle. Unter<br />

www.vdi.de/<strong>in</strong>dustrie40 stehen die Reporte zur E<strong>in</strong>sicht<br />

bereit. Die Statusberichte „Industrie 4.0 – IT Security“<br />

und „Industrie 4.0 – Leitsystem“ sollen noch 2014 folgen.<br />

Die Experten <strong>der</strong> DKE arbeiteten beim Industrial Automation<br />

Forum <strong>der</strong> International Electronic Commission<br />

(IEC) mit Kollegen aus <strong>der</strong> ganzen Welt an grundlegenden<br />

Standards für das <strong>in</strong>dustrielle Internet <strong>der</strong><br />

D<strong>in</strong>ge. Entscheidend für die Realisierung von Industrie<br />

4.0, so betont man bei <strong>der</strong> DKE, werde die Fähigkeit etwa<br />

von Produkten o<strong>der</strong> Masch<strong>in</strong>en se<strong>in</strong>, <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er vernetzten<br />

Umgebung Informationen über sich zu liefern. Hierfür<br />

sei es notwendig, dass für alle E<strong>in</strong>heiten des Produktionsprozesses<br />

Merkmale h<strong>in</strong>terlegt s<strong>in</strong>d, die sie e<strong>in</strong>deutig<br />

identifizieren. Die Experten arbeiteten daher weiter an<br />

<strong>der</strong> <strong>in</strong>ternationalen Normenreihe IEC 61987, die im H<strong>in</strong>blick<br />

auf die Semantik die nötigen Festlegungen liefert.<br />

Ebenfalls diskutiert wurde die <strong>in</strong>ternationale Norm<br />

IEC 62541 zum Software-Schnittstellen-Standard OPC<br />

UA (Unified Architecture) als Middleware-Lösung <strong>der</strong><br />

Industrieautomation. Sie ermöglicht die Kommunikation<br />

zwischen Programmen und Geräten und normt hier-<br />

für Dienste die sich für Industrie 4.0 sehr gut eignen.<br />

Zudem g<strong>in</strong>gen die Experten das Ause<strong>in</strong>an<strong>der</strong>klaffen <strong>der</strong><br />

Lebenszyklen von Software und Anlagen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Industrie-4.0-Umgebung<br />

an. Mit <strong>der</strong> künftigen IEC 62890 zum<br />

Life-Cycle-Management wollen sie die Grundlage für<br />

vertragliche Vere<strong>in</strong>barungen liefern, mit denen sich Anlagenbetreiber<br />

üblicherweise vor Nachrüstungen o<strong>der</strong><br />

Re-Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Maßnahmen <strong>in</strong> Masch<strong>in</strong>en und Anlagen,<br />

die alle<strong>in</strong> aufgrund e<strong>in</strong>es Softwarewechsels notwendig<br />

werden, schützen wollen.<br />

Zudem haben DKE und ETSI (European Telecommunications<br />

Standards Institute) e<strong>in</strong>e Zusammenarbeit im<br />

Bereich Industrie 4.0 beschlossen. Im Rahmen <strong>der</strong> Kooperation<br />

könnte ETSI Spezifikationen im Bereich <strong>der</strong><br />

Kommunikation beistellen, die etwa IEC-Komitees über<br />

e<strong>in</strong>e noch festzulegende Schnittstelle nutzen. ETSI will<br />

bis zum Sommer kommunikationsbezogene Spezifikationen<br />

für die Weiterentwicklung <strong>der</strong> deutschen Normungroadmap<br />

über Industrie 4.0 identifizieren. (gz)<br />

DKE: www.dke.de<br />

GMA: www.vdi.de; www.vdi.de/<strong>in</strong>dustrie40<br />

IEC: www.iec.ch<br />

DIE VORTEILE VON<br />

INDUSTRIE 4.0<br />

werden sich nur<br />

umfassend nutzen<br />

lassen, wenn dafür<br />

die Voraussetzungen<br />

wie etwa akzeptierte<br />

Normen geschaffen<br />

werden.<br />

Bild: Thomas Ernst<strong>in</strong>g/LAIF<br />

VDI/VDE-Richtl<strong>in</strong>ienentwurf: Praxistipps für die<br />

Nutzung berührungsloser Temperaturmesstechnik<br />

Wenn Temperaturen berührungslos zur Prozesskontrolle<br />

o<strong>der</strong> -regelung gemessen werden müssen,<br />

kommen Strahlungsthermometer zum E<strong>in</strong>satz.<br />

Im Richtl<strong>in</strong>ienentwurf VDI/VDE 3511 Blatt 4.5 gibt <strong>der</strong><br />

Fachausschuss 2.51 Angewandte Strahlungsthermometrie<br />

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

(GMA) nun Anleitungen für die Praxis.<br />

Unter dem Titel „Technische Temperaturmessung;<br />

Strahlungsthermometrie; Praktische Anwendung von<br />

Strahlungsthermometern“ wird etwa beschrieben, wie<br />

Medien zwischen dem Messobjekt und Thermometer,<br />

die Messfeldgröße und die E<strong>in</strong>stellzeit des Thermome-<br />

ters die Messgenauigkeit bee<strong>in</strong>flussen. Es werden auch<br />

H<strong>in</strong>weise zur Auswahl des geeigneten Wellenlängenbereichs<br />

für die Messung gegeben. Nach <strong>der</strong> sechsmonatigen<br />

E<strong>in</strong>spruchsfrist und <strong>der</strong> Behandlung etwaiger<br />

E<strong>in</strong>sprüche, die die gesamte <strong>in</strong>teressierte Öffentlichkeit<br />

erheben kann, wird die Richtl<strong>in</strong>ie als zweisprachige<br />

Fassung <strong>in</strong> Deutsch und Englisch veröffentlicht. (gz)<br />

VDI/VDE-GESELLSCHAFT MESS- UND<br />

AUTOMATISIERUNGSTECHNIK (GMA),<br />

VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,<br />

Tel. +49 (0) 211 621 40, Internet: www.vdi.de<br />

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

6 / 2014<br />

11


PRAXIS | SENSORTECHNIK<br />

Embedded-Messsysteme für Oberflächen und<br />

Fluide: Farbsensoren bieten viele Möglichkeiten<br />

Methode muss passend zu den Eigenschaften <strong>der</strong> zu untersuchenden Substanz gewählt werden<br />

Bei <strong>der</strong> Entwicklung von Embedded-Farbmesssystemen<br />

ist es wichtig zu wissen, welche Messgenauigkeit<br />

und Systemelektronik benötigt wird. Soll es e<strong>in</strong><br />

Handheld-Gerät o<strong>der</strong> e<strong>in</strong> Inl<strong>in</strong>e-System se<strong>in</strong>? Dieser<br />

Beitrag zeigt, wie fluid- o<strong>der</strong> farbstoffbasierte Anwendungen<br />

von <strong>in</strong>telligenten Messsystemen und -aufbauten<br />

profitieren können.<br />

Bei <strong>der</strong> Farbmessung ist es je nach Anwendung wichtig<br />

zu wissen, wie genaue Messwerte ohne Drifteffekte<br />

erzielt werden können. Farbmessung und Farbwahrnehmung<br />

beruhen auf drei Variablen: Objekt, Licht,<br />

Beobachter.<br />

‚Weißes Licht‘ wird oft als farblos wahrgenommen,<br />

aber <strong>in</strong> Wirklichkeit be<strong>in</strong>haltet es alle Farben des sichtbaren<br />

Spektrums. Wenn weißes Licht e<strong>in</strong> Objekt erreicht,<br />

wird nur e<strong>in</strong>e ausgewählte Menge an Farbe blockiert<br />

beziehungsweise reflektiert. Was bleibt, ist die<br />

Farbe, die wahrgenommen wird.<br />

Wenn e<strong>in</strong>e o<strong>der</strong> mehrere Variablen sich än<strong>der</strong>n,<br />

kann Farbe an<strong>der</strong>s wahrgenommen werden. Diese Variablen<br />

können bei e<strong>in</strong>em Projekt hilfreich se<strong>in</strong> o<strong>der</strong><br />

e<strong>in</strong> technologisches H<strong>in</strong><strong>der</strong>nis darstellen. Deshalb ist<br />

es wichtig, den gesamten Messaufbau zu bewerten,<br />

bevor e<strong>in</strong> allgeme<strong>in</strong>er technologischer Ansatz ausgewählt<br />

wird.<br />

Än<strong>der</strong>ungen <strong>der</strong> Variablen können beabsichtigt se<strong>in</strong>,<br />

um die Werte für die statistische Auswertung verwenden<br />

zu können (siehe Regressionsanalyse). Diese Methode<br />

schätzt die Beziehungswerte zwischen den Variablen<br />

e<strong>in</strong> und ermöglicht Rückschlüsse, die auf Unterschieden<br />

<strong>in</strong> Farbe und Spektrum basieren. Selbst bei<br />

sche<strong>in</strong>bar farblosen Objekten o<strong>der</strong> Flüssigkeiten lassen<br />

sich <strong>der</strong>en spezifische Eigenschaften über das hyperspektrale<br />

Verfahren analysieren.<br />

So kann <strong>der</strong> Ausgabewert <strong>der</strong> jeweiligen Applikation<br />

stark abweichen, wenn sich beispielsweise <strong>der</strong> E<strong>in</strong>fallsw<strong>in</strong>kel<br />

verschiebt o<strong>der</strong> die Verwendung des Beobachters<br />

(Detektors) verän<strong>der</strong>t wird.<br />

Im Folgenden werden Anwendungsbeispiele zur Qualitätskontrolle<br />

sowie <strong>der</strong> Automatisierungs-, Lebensmittel-<br />

und Verarbeitungs<strong>in</strong>dustrie genauer betrachtet.<br />

Was mit True-Color-Sensoren (XYZ-Sensoren mit<br />

Normspektralwertfunktion) o<strong>der</strong> Multi-Spektral-Sensoren<br />

(Quasi-Spektrale-Sensoren) möglich ist, wird<br />

anhand von Messwerten und Genauigkeiten gezeigt.<br />

GLUKOSE, PH UND CHEMIKALIEN<br />

Die häufigsten Messungen <strong>in</strong> Bio-Analytik, Qualitätsmanagement,<br />

Lebensmittelverarbeitung o<strong>der</strong> <strong>der</strong> mediz<strong>in</strong>ischen<br />

Industrie s<strong>in</strong>d Glukose- o<strong>der</strong> pH-basiert.<br />

Das Pyranoseoxidase-Verfahren wird für Glukosemessungen<br />

mit Farbsensoren genutzt. Für diesen auf<br />

Transmission basierenden Testaufbau wurden Glukosemessungen<br />

über <strong>in</strong>direkte Bestimmung durchgeführt.<br />

Dabei wurde ABTS als Redox-Indikator für den<br />

sichtbaren Spektralbereich verwendet. Der Anteil des<br />

e<strong>in</strong>fallenden Lichts bei e<strong>in</strong>er bestimmten Wellenlänge<br />

ließ sich so messen.<br />

E<strong>in</strong>ige <strong>der</strong> untersuchten Substanzen waren farblos<br />

und wurden zum Beispiel via Fluoreszenz-Verfahren<br />

gemessen. Farblose Chemikalien reagieren bei diesem<br />

Verfahren unterschiedlich bei bestimmten Wellenlängen<br />

und lassen sich somit analysieren. Als Indikator<br />

wurde ABTS verwendet. Er bewirkt, dass die gemessenen<br />

Substanzen zu e<strong>in</strong>em grünen Farbbereich<br />

reagieren.<br />

Mit dem Testaufbau wurden außerdem Glukose-Messungen<br />

von Softdr<strong>in</strong>ks vorgenommen. Der Glukose-<br />

Anteil bei Cola und Sprite beträgt etwa 95+ mg/l, bei<br />

Eistee 50+ mg/l und fast 40 mg/l bei Fruko, e<strong>in</strong>em regionalen<br />

Erfrischungsgetränk aus <strong>der</strong> Türkei.<br />

Mit Handheld-Geräten können Proben unterwegs<br />

analysiert werden. Um e<strong>in</strong>e Messung e<strong>in</strong>zuleiten, wird<br />

e<strong>in</strong>e Zero-Messung <strong>der</strong> Probe durchgeführt. Es wird <strong>der</strong><br />

entsprechende Indikator zugegeben, e<strong>in</strong>e zweite Messung<br />

ermöglicht e<strong>in</strong>e genaue Bestimmung <strong>der</strong> Probenzusammensetzung.<br />

Mit dieser Methode lassen sich nicht nur Glukoseo<strong>der</strong><br />

pH-Werte ermitteln, son<strong>der</strong>n auch an<strong>der</strong>e chemische<br />

Zusammensetzungen <strong>in</strong> den Proben. Zum Beispiel<br />

Chlor, Kupfer, Nitrit o<strong>der</strong> Phosphat.<br />

Bei <strong>der</strong> pH-Wertermittlung mittels Absorptionsmessung<br />

wurden Genauigkeitswerte im Bereich von 0,1<br />

erzielt. Wenn das Pr<strong>in</strong>zip <strong>der</strong> Absorptionsmessung<br />

nicht genau genug ist, können die Ergebnisse mit Hilfe<br />

von Fluoreszenz-Messungen verbessert werden. Im<br />

Testaufbau gelang es, Rodam<strong>in</strong> 6G und Cumar<strong>in</strong> 1 mit<br />

e<strong>in</strong>er Genauigkeit von 10-6 mol/l zu messen. Bei e<strong>in</strong>er<br />

Schichtdicke von 200 µm Toluid<strong>in</strong>blau konnte e<strong>in</strong>e<br />

Konzentration von 10 µmol detektiert werden.<br />

SPRIT UND MINERALÖLE<br />

Kraftstoffe und Erdölerzeugnisse s<strong>in</strong>d meist strengen<br />

Regulierungen <strong>der</strong> <strong>in</strong>ternationalen Industrie unterzogen.<br />

Die Farbe des Kraftstoffs o<strong>der</strong> Petroleums ist e<strong>in</strong><br />

Indikator für verschiedene Elemente, beispielsweise<br />

Steuerklassen o<strong>der</strong> Nutzungsdomänen.<br />

Die ASTM D1500, Pt-Co- o<strong>der</strong> Gardner-Farb skalen<br />

beschreiben Farbunterschiede von gelb-weißlich bis<br />

dunkel-orange-braun.<br />

Die Norm ASTM D 6045 beschreibt das Normspektral-Wertmessverfahren<br />

von Saybolt und ASTM Farben.<br />

Die Farbpalette ähnelt jener im Bild rechts (Erdöl-Farbtafel).<br />

Die Saybolt-Farbskala wird zur E<strong>in</strong>stufung<br />

von hellen Erdölprodukten, e<strong>in</strong>schließlich Flugkraftstoffen,<br />

Keros<strong>in</strong> sowie Naphtha, Weißölen o<strong>der</strong><br />

Kohlenwasserstoffen verwendet. Die ASTM-Farbskala<br />

wird h<strong>in</strong>gegen für dunklere farbige Erdölprodukte<br />

e<strong>in</strong>gesetzt. Es ist e<strong>in</strong>e komplexe Aufgabe, den Unterschied<br />

zwischen e<strong>in</strong>zelnen Saybolt-Proben zu messen,<br />

da die Farbunterschiede mit dem menschlichen<br />

Auge oft kaum sichtbar s<strong>in</strong>d.<br />

12<br />

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

6 / 2014


MnO 4<br />

0,55mg/l 11<br />

pH<br />

11,5<br />

NH 4<br />

0,05mg/l<br />

MITTELS FARBMESSUNG<br />

lassen sich selbst<br />

sche<strong>in</strong>bar farblose<br />

Substanzen bestimmen.<br />

QUASISPEKTRUM<br />

VON RODAMIN 6G<br />

(absorptions- und<br />

emmissionsbasierend).<br />

Bil<strong>der</strong>: Mazet<br />

SOFTDRINK-GLUKOSEMESSUNGEN<br />

via Farbsensoren.<br />

BEISPIELHAFTE<br />

DARSTELLUNG<br />

e<strong>in</strong>er üblichen<br />

Erdöl-Farbtafel.<br />

NORMSPEKTRALWERTANALYSE von Saybolt-Proben.<br />

Bei e<strong>in</strong>em spezifischen Testaufbau s<strong>in</strong>d die Sensoren<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> Lage, selbst fe<strong>in</strong>e Farbunterschiede zu erkennen.<br />

Um jedoch die besten Ergebnisse <strong>in</strong> Flüssigkeitsmessungen<br />

o<strong>der</strong> an<strong>der</strong>en auf Flüssigkeit basierenden Anwendungen<br />

zu erreichen, sollten die mathematischen<br />

Algorithmen h<strong>in</strong>ter dem Detektionsprozess optimiert<br />

werden. So können spektrale Informationen mit hoher<br />

Genauigkeit erfasst werden.<br />

Dabei können Simulationen von komplexen Nachweismethoden<br />

helfen. Der Algorithmus <strong>der</strong> Partikelschwarm-Optimierung<br />

betrachtet zum Beispiel die<br />

bekannten Eigenschaften <strong>der</strong> verwendeten Farbsen-<br />

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

6 / 2014<br />

13


PRAXIS | SENSORTECHNIK<br />

soren. Mithilfe solcher Optimierungsverfahren lassen<br />

sich Unterschiede zwischen sche<strong>in</strong>bar gleichfarbigen<br />

Flüssigkeiten detektieren.<br />

Die folgenden Messungen zeigen die Farbkoord<strong>in</strong>aten<br />

von mehreren gemessenen Flüssigkeitsproben im Saybolt-Bereich<br />

<strong>in</strong>nerhalb des CIE-Farbraums. Die Bereichswerte<br />

s<strong>in</strong>d <strong>in</strong> <strong>der</strong> Norm festgelegt und zeigen, wie<br />

genau e<strong>in</strong> Farberkennungssystem se<strong>in</strong> muss, um die<br />

gegebene Norm zu erfüllen.<br />

DRUCKINDUSTRIE<br />

Die Druck<strong>in</strong>dustrie hat hohe Ansprüche an Farben und<br />

<strong>der</strong>en Reproduzierbarkeit. Was passiert, wenn die Corporate-Farben<br />

sich während e<strong>in</strong>er Inl<strong>in</strong>e-Produktion<br />

än<strong>der</strong>n? Wird die Produktion <strong>in</strong> dieser Zeit angehalten<br />

werden? Kostet je<strong>der</strong> Druckfehler zusätzlich Geld?<br />

Ziel war es, e<strong>in</strong>en Testaufbau zu entwerfen, <strong>der</strong><br />

absolute Farbwerte für Druckfarben liefert. Die gemessenen<br />

Werte wurden mit den Referenzwerten<br />

e<strong>in</strong>es Spektrometers verglichen, um die erfor<strong>der</strong>liche<br />

Zielgenauigkeit bewerten zu können. E<strong>in</strong> Vorteil von<br />

Multi-Spektral-Sensoren ist die höhere Genauigkeit<br />

und die Möglichkeit, spektrale Näherungsverfahren<br />

verwenden zu können. Wenn die Druckfarben bekannt<br />

s<strong>in</strong>d, können Ergebnisse durch Kalibrierung<br />

<strong>der</strong> spezifischen Farben verbessert werden. E<strong>in</strong>e absolute<br />

Genauigkeit von ∆E00


CYAN-DRUCKFARB-BEISPIEL nach<br />

Optimierung bei e<strong>in</strong>em Wert von ∆E00 = 0,25.<br />

BEISPIELHAFTE PROBENMESSREIHE<br />

im CIE1931-Farbraum.<br />

schiedliche Anwendungsbereiche zu entwickeln. Die<br />

kompakte Baugröße ermöglicht den E<strong>in</strong>satz <strong>in</strong> mobilen<br />

Geräten o<strong>der</strong> engen Umgebungen. Es ist notwendig zu<br />

wissen, welche Art von Detektor im Testaufbau e<strong>in</strong>gesetzt<br />

wird und wie die Messungen durchgeführt werden<br />

sollen.<br />

Die Wahl <strong>der</strong> richtigen Messmethode (Emission, Remission,<br />

Transmission) ist für e<strong>in</strong>e genaue Bewertung<br />

von verschiedenen Substanzen o<strong>der</strong> Elementen sehr<br />

wichtig. Zum Beispiel reagieren Flüssigkeiten an<strong>der</strong>s<br />

als feste Objekte, Reflexion o<strong>der</strong> Fluoreszenz erfor<strong>der</strong>n<br />

e<strong>in</strong>en verän<strong>der</strong>ten Messaufbau.<br />

Die Messungen bestätigen, dass die Farbwahrnehmung<br />

nicht mit üblichen physikalischen Größen wie<br />

Spannung, Druck o<strong>der</strong> Dichte verglichen werden kann.<br />

Da die Hauptvariablen <strong>der</strong> Farberkennung sich applikativ<br />

stark unterscheiden (Objekt, Licht und Beobachter),<br />

sollten Farbmessaufgaben auf die jeweilige Anwendung<br />

optimiert und kalibriert werden. Def<strong>in</strong>ierte Referenzo<strong>der</strong><br />

Zielwerte müssen gesetzt werden, um das spezifische<br />

∆E00 von Farbkoord<strong>in</strong>aten <strong>in</strong> bestimmten Farbräumen<br />

zu vergleichen.<br />

Bei allen Messungen konnte die Genauigkeit <strong>der</strong> Werte<br />

durch E<strong>in</strong>satz von <strong>in</strong>telligenten Optimierungsprozessen<br />

und Algorithmen gesteigert werden.<br />

AUTOREN<br />

M.A. KEVIN<br />

JENSEN ist<br />

zuständig für<br />

International<br />

Sales &<br />

Market<strong>in</strong>g bei<br />

Mazet <strong>in</strong> Jena.<br />

Dipl.-Inf. (FH)<br />

MICHAEL<br />

GÖPFERT ist<br />

Application<br />

Eng<strong>in</strong>eer bei<br />

Mazet <strong>in</strong> Jena.<br />

B. Eng.<br />

PAUL-GERALD<br />

DITTRICH ist<br />

Netzwerkmanager<br />

bei<br />

SpectroNet <strong>in</strong><br />

Jena.<br />

Mazet GmbH,<br />

Göschwitzer Straße 32, D-07745 Jena,<br />

Tel. +49 (0) 3641 28 09 47, E-Mail: kev<strong>in</strong>.jensen@mazet.de<br />

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

6 / 2014<br />

15


PRAXIS | SENSORTECHNIK<br />

Intelligent und effizient: Temperaturmessung mit<br />

Grenzwertschaltern schützt Mensch und Anlage<br />

Überwachung elektrischer Masch<strong>in</strong>en mit Interfacemodulen als Alternative zu Prozessleitsystemen<br />

MODULE DES K-SYSTEMS werden auf<br />

dem Power Rail montiert – redundante<br />

Versorgung und Sammelfehlermeldung<br />

<strong>in</strong>klusive.<br />

Bil<strong>der</strong>: Pepperl+Fuchs<br />

z. B.<br />

PT100<br />

*-GUT-*<br />

DAS INTERFACEMODUL<br />

überwacht die Temperatur<br />

mit e<strong>in</strong>er Dreileitermessung<br />

und schaltet<br />

beim Überschreiten<br />

e<strong>in</strong>es Grenzwertes e<strong>in</strong><br />

Relais am Ausgang.<br />

Elektrische Masch<strong>in</strong>en s<strong>in</strong>d aus <strong>der</strong> Automatisierungstechnik<br />

nicht wegzudenken. Vor allem als<br />

Antriebe beispielsweise für För<strong>der</strong>schnecken und -bän<strong>der</strong><br />

sowie für Pumpen erfüllen sie elementare Funktionen.<br />

Ausfall, Überlastung o<strong>der</strong> Fehlfunktion von elektrischen<br />

Masch<strong>in</strong>en können <strong>in</strong> <strong>der</strong> Prozess<strong>in</strong>dustrie<br />

weitreichende Auswirkungen haben. Daher s<strong>in</strong>d Überwachungskonzepte<br />

erfor<strong>der</strong>lich, die sicherheitsrelevante<br />

Störungen erkennen und Masch<strong>in</strong>en abschalten<br />

können. Diese Aufgabe müssen nicht zw<strong>in</strong>gend Prozessleitsysteme<br />

o<strong>der</strong> SPSen übernehmen. E<strong>in</strong>e wirtschaftliche<br />

Lösung lässt sich auch durch den E<strong>in</strong>satz<br />

von Trennbauste<strong>in</strong>en mit Grenzwertrelais realisieren.<br />

FEHLFUNKTIONEN STELLEN GEFAHREN<br />

FÜR MENSCH UND ANLAGE DAR<br />

Die Auswirkungen <strong>der</strong> Fehlfunktionen elektrischer<br />

Masch<strong>in</strong>en können beachtlich se<strong>in</strong>. Die falsche Drehrichtung<br />

e<strong>in</strong>er Welle aufgrund e<strong>in</strong>er umgekehrten Phasenfolge<br />

am Motor führt dazu, dass Transportgut auf<br />

Bän<strong>der</strong>n o<strong>der</strong> Schnecken <strong>in</strong> die falsche Richtung beför<strong>der</strong>t<br />

wird. E<strong>in</strong>e zu hohe Drehzahl kann zu mechanischen<br />

Schäden <strong>der</strong> Wellenlager führen. Werden Synchronmasch<strong>in</strong>en<br />

beispielsweise bei Inselnetzen zu<br />

stark belastet, droht die Gefahr e<strong>in</strong>es Stillstandes. Die<br />

Überhitzung von Komponenten aufgrund mechanischer<br />

o<strong>der</strong> elektrischer Wärmeentwicklung kann zu<br />

Schäden an den Geräten selbst führen, aber auch zu<br />

e<strong>in</strong>er Gefahr für Personal und Anlage werden.<br />

ÜBERWACHUNGSZIELE AM BEISPIEL<br />

DER TEMPERATURMESSUNG<br />

Daher muss es das Ziel e<strong>in</strong>es Überwachungskonzeptes<br />

se<strong>in</strong>, sicherheitsrelevante Parameter zuverlässig zu kontrollieren<br />

und im Störfall das betreffende Gerät abzuschalten.<br />

So können Gefahren für Mensch und Natur,<br />

Beschädigungen <strong>der</strong> Masch<strong>in</strong>e sowie e<strong>in</strong> Anlagenstillstand<br />

verh<strong>in</strong><strong>der</strong>t werden.<br />

Bei Temperaturmessungen an elektrischen Masch<strong>in</strong>en<br />

s<strong>in</strong>d vor allem die Messwerte von Stator, Lagern<br />

und Oberflächen relevant. Sie spiegeln beispielsweise<br />

Anomalien bei Erregerströmen, Schmiermitteldruck<br />

o<strong>der</strong> Kühlung wi<strong>der</strong>. Ist die elektrische Masch<strong>in</strong>e als<br />

Antrieb e<strong>in</strong>er Pumpe e<strong>in</strong>gesetzt, kann auch die Überwachung<br />

<strong>der</strong> Temperaturen von För<strong>der</strong>flüssigkeiten<br />

s<strong>in</strong>nvoll se<strong>in</strong>, um e<strong>in</strong>e Überlastung des Antriebes zu<br />

verh<strong>in</strong><strong>der</strong>n. Hier kann e<strong>in</strong>e Temperaturüberwachung<br />

zur Erkennung und Vermeidung von unzulässig hohen<br />

Temperaturen dazu genutzt werden, das Anfahren <strong>der</strong><br />

Pumpe solange zu verzögern bis <strong>der</strong> Stockpunkt des<br />

För<strong>der</strong>mediums über <strong>der</strong> Umgebungstemperatur liegt.<br />

Im Gegensatz zu Parametern wie Drehzahl o<strong>der</strong> Drehrichtung<br />

s<strong>in</strong>d Temperaturän<strong>der</strong>ungen nicht offensichtlich<br />

und mit menschlichen S<strong>in</strong>nen nicht ohne weiteres<br />

zu erfassen. Die Messung von Temperaturen ist zudem<br />

durch Nicht-L<strong>in</strong>earität gekennzeichnet, die bei Messung,<br />

Übertragung und Auswertung <strong>der</strong> Größe berücksichtigt<br />

werden muss.<br />

REALISIERUNG MIT TRENNBAUSTEINEN<br />

Grenzwerte können beim Vorhandense<strong>in</strong> e<strong>in</strong>es Prozessleitsystems<br />

o<strong>der</strong> e<strong>in</strong>er SPS <strong>in</strong> <strong>der</strong> zentralen Steuerung<br />

h<strong>in</strong>terlegt werden, sodass beim Erreichen o<strong>der</strong> Überschreiten<br />

dieser Werte def<strong>in</strong>ierte Prozesse ausgelöst<br />

werden – im e<strong>in</strong>fachsten Fall die Abschaltung <strong>der</strong> betreffenden<br />

Komponente.<br />

Aufgrund <strong>der</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> Regel langen und damit störanfälligen<br />

Signalwege zwischen Feldebene und Steuerung<br />

s<strong>in</strong>d Trennbauste<strong>in</strong>e zu verwenden – entwe<strong>der</strong> als<br />

Trennbarrieren, um den explosionsgefährdeten Bereich<br />

vor zu hohem Energiee<strong>in</strong>trag zu schützen o<strong>der</strong> als Signaltrenner<br />

für den sicheren Bereich: Auch zwischen<br />

16<br />

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

6 / 2014


den nicht-explosionsgefährdeten Bereichen im Feld<br />

und <strong>der</strong> Steuerung ist dr<strong>in</strong>gend e<strong>in</strong>e galvanische Trennung<br />

geboten. Sie bietet wirksamen Schutz gegen Potentialverschiebungen<br />

und Ausgleichsströme durch<br />

Erdschleifen o<strong>der</strong> nach dem Austausch von E<strong>in</strong>gangskarten<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> Steuerung, gegen elektromagnetische Störungen<br />

o<strong>der</strong> auch gefährlich hohe Spannungen auf den<br />

Signalleitungen im Fehlerfall.<br />

Trennungen <strong>in</strong> <strong>der</strong> Steuerung bef<strong>in</strong>den sich <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />

Regel zwischen den E<strong>in</strong>gangskarten und <strong>der</strong> Prozessore<strong>in</strong>heit<br />

und können daher nicht den Schutz von Signaltrennern<br />

ersetzen. Werden als Trennbauste<strong>in</strong>e<br />

Temperaturmessumformer mit parametrierbaren<br />

Grenzwertausgängen ausgeführt, stehen am Relaisausgang<br />

bereits Schaltsignale zur Verfügung, ohne auf e<strong>in</strong>e<br />

zentrale Steuerung zurückgreifen zu müssen.<br />

SYSTEM BESTIMMT DEN BENEFIT<br />

Die effiziente Realisierung <strong>der</strong> Überwachung von sicherheitsrelevanten<br />

Parametern ist an e<strong>in</strong>ige Voraussetzungen<br />

geknüpft. So sollten Temperaturmessumformer<br />

für alle Arten von bei Temperaturmessungen vorkommenden<br />

Messgrößen geeignet se<strong>in</strong> (Thermoelement, Wi<strong>der</strong>standsthermometer,<br />

Potentiometer o<strong>der</strong> Spannung).<br />

Schaltpunkte müssen frei e<strong>in</strong>stellbar se<strong>in</strong>. Zudem muss<br />

das Modul über e<strong>in</strong>e Leitungs- und Sensorbruchüberwachung<br />

verfügen, um Messwerte zulässig zu übermitteln.<br />

Der Temperaturmessumformer mit Grenzwerten<br />

KFD2-GUT des K-Systems von Pepperl+Fuchs bietet<br />

neben diesen Grundvorausetzungen e<strong>in</strong>e Reihe weiterer<br />

Vorteile. Das Modul nimmt die Temperatur auf und<br />

schaltet bei Erreichen des Grenzwerts den Relaisausgang.<br />

Es ist sowohl für den E<strong>in</strong>satz <strong>in</strong> explosionsgefährdeten<br />

Bereichen wie auch als Signaltrenner für Signale<br />

aus dem sicheren Bereich verfügbar.<br />

Das Modul ist Teil <strong>der</strong> K-System-Produktfamilie mit<br />

weiteren Grenzwertschaltern, sodass praktisch alle<br />

kritischen Parameter nach dem selben Pr<strong>in</strong>zip zu überwachen<br />

s<strong>in</strong>d<br />

Drehzahlüberwachung<br />

Gleichlaufüberwachung<br />

Transmitterspeisung mit programmierbarem<br />

Hoch- o<strong>der</strong> Tiefalarm<br />

Die Versorgung <strong>der</strong> Module erfolgt über das sogenannte<br />

Power Rail, e<strong>in</strong> Tragschienenprofil mit E<strong>in</strong>legeteil.<br />

Die Tragschienenmontage erlaubt das e<strong>in</strong>fache Aufstecken<br />

<strong>der</strong> Module. Das Power Rail versorgt die Geräte<br />

mit Versorgungsspannung und bietet die Möglichkeit<br />

e<strong>in</strong>er Sammelfehlermeldung. Dies reduziert den Verdrahtungsaufwand.<br />

FAZIT<br />

Die zuverlässige Überwachung sicherheitsrelevanter<br />

Parameter von elektrischen Masch<strong>in</strong>en kann vor Ge-<br />

fahren für Mensch und Natur sowie für die Masch<strong>in</strong>e<br />

und e<strong>in</strong>e Anlage <strong>in</strong>sgesamt wirksam schützen. E<strong>in</strong>e<br />

<strong>in</strong>teressante Alternative zu Prozessleitsystemen o<strong>der</strong><br />

SPSen bei <strong>der</strong> Überwachung e<strong>in</strong>zelner Messwerte ist<br />

<strong>der</strong> E<strong>in</strong>satz von Trennbauste<strong>in</strong>en mit Grenzwert relais.<br />

AUTOR<br />

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Quality by tradition<br />

ANDREAS GRIMSEHL ist Produkt-<br />

Market<strong>in</strong>g-Manager bei <strong>der</strong><br />

Pepperl+Fuchs GmbH <strong>in</strong> Mannheim.<br />

Pepperl+Fuchs GmbH,<br />

Division Process Automation,<br />

Interface Technology,<br />

Lilienthalstraße 200, D-68307 Mannheim,<br />

Tel. +49 (0) 621 776 17 94,<br />

E-Mail: agrimsehl@de.pepperl-fuchs.com<br />

Er verb<strong>in</strong>det e<strong>in</strong> großes Kalibriervolumen und Temperaturbereiche<br />

von -35…165 °C mit dem bewährten Bedienkonzept mittels e<strong>in</strong>es<br />

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6 / 2014<br />

17


PRAXIS | SENSORTECHNIK<br />

Kont<strong>in</strong>uierliche Messung des pH-Werts zeigt Lecks<br />

<strong>in</strong> Kühlanlagen mit Ammoniak zuverlässig an<br />

Alternative zu klassischen Methoden – Austretendes Kältemittel bedroht Mensch und Umwelt<br />

AMMONIAK IST IN WASSER LÖSLICH:<br />

Aus pH-Wert und Temperatur lässt sich die<br />

Mol-Konzentration des Ammoniaks im Wasser<br />

ermitteln. Bil<strong>der</strong>: Jumo<br />

LÄSST EIN LECK Ammoniak<br />

<strong>in</strong> den kühlenden Wasserkreislauf<br />

austreten, so<br />

kann das durch Messung<br />

des pH-Wertes vor und<br />

nach dem Kondensator<br />

fest gestellt werden.<br />

SICHER AUF DEM<br />

KUNSTEIS: Das Eis für<br />

die Bahn im schweizerischen<br />

Wengen wird mit<br />

Ammoniak als Kältemittel<br />

erzeugt. Vor<br />

Unfällen durch Austritt<br />

des Kälte mittels schützt<br />

e<strong>in</strong>e Lecküberwachung<br />

per pH-Wert-Messung.<br />

IM KONDENSATOR wird Ammoniak komprimiert<br />

und durch Wärmeentzug verflüssigt.<br />

Im Verdampfer geht das flüssige Ammoniak<br />

wie<strong>der</strong> <strong>in</strong> den gasförmigen Zustand über und<br />

entzieht <strong>der</strong> Umgebung dabei Wärme.<br />

Werden Kälte- und Kühlanlagen mit Ammoniak betrieben,<br />

so kann e<strong>in</strong> Austreten dieses Kältemittels<br />

für Mensch und Umwelt verheerende Auswirkungen<br />

haben. Daher besitzt die Lecküberwachung <strong>der</strong>artiger<br />

Systeme höchste Bedeutung. Als Alternative zu den<br />

bisher bekannten Methoden bietet sich hier die Überwachung<br />

mittels pH-Wert-Messung an. Bei e<strong>in</strong>er Kunsteisbahn<br />

im schweizerischen Wengen kommt diese Methode<br />

seit e<strong>in</strong>igen Jahren erfolgreich zum E<strong>in</strong>satz.<br />

Kälte- und Kühlanlagen werden <strong>in</strong> vielen Bereichen<br />

e<strong>in</strong>gesetzt. Die gefor<strong>der</strong>te Kälteleistung zu erbr<strong>in</strong>gen, ist<br />

dabei nur e<strong>in</strong> Ziel. Ebenso sollten sie sicher, umweltverträglich,<br />

wirtschaftlich und energieeffizient se<strong>in</strong>. Ammoniak<br />

(NH 3 ) ist e<strong>in</strong> Kältemittel, das seit dem Verbot<br />

<strong>der</strong> Fluorchlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW) und Halogenfluorchlor-Kohlenwasserstoffe<br />

(HFCKW) <strong>in</strong> neuen<br />

Kälteanlagen wie<strong>der</strong> an Bedeutung gewonnen hat.<br />

GIFTIG, FARBLOS UND ÄTZEND<br />

Ammoniak liegt <strong>in</strong> Kühlkreisläufen teilweise als Flüssigkeit,<br />

teilweise als Gas vor. Unter Normalbed<strong>in</strong>gungen<br />

(0°C und 1013 mbar) ist Ammoniak e<strong>in</strong> farbloses,<br />

giftiges und ätzendes Gas. Flüssig liegt es komprimiert<br />

o<strong>der</strong> tiefkalt vor (Verdampfungspunkt bei –33,4°C, 1013<br />

mbar). Ammoniak ist <strong>in</strong> Wasser löslich, die Lösung<br />

heißt Salmiakgeist. Aufgrund <strong>der</strong> Temperatur und <strong>der</strong><br />

Mol-Konzentration des Ammoniaks im Wasser lässt<br />

sich <strong>der</strong> pH-Wert ermitteln.<br />

Um e<strong>in</strong>e Kühlung zu erreichen, werden <strong>in</strong> den meisten<br />

Anlagen Kompressions-Kältemasch<strong>in</strong>en e<strong>in</strong>gesetzt.<br />

Dabei wird das gasförmige Ammoniak vom Verdichter<br />

angesogen und komprimiert. Die Temperatur<br />

des Ammoniaks steigt dadurch an. Am darauf folgenden<br />

Kondensator wird diese Wärme dem Ammoniak,<br />

zum Beispiel durch e<strong>in</strong>e Wasserkühlung, entzogen,<br />

wodurch es sich verflüssigt. Nun wird das Ammoniak<br />

am Drosselorgan dekomprimiert und kühlt sich dabei<br />

ab. Die resultierende Wärmeenergie ist nun kle<strong>in</strong>er als<br />

vor dem Verdichten, daher kann am Verdampfer Wärme<br />

aus <strong>der</strong> Umgebung aufgenommen werden; es wird<br />

also gekühlt. Das Ammoniak wechselt dabei den Aggregatzustand<br />

und wird wie<strong>der</strong> gasförmig. Danach<br />

wird es erneut vom Verdichter angesogen und <strong>der</strong><br />

Kreislauf ist geschlossen.<br />

18<br />

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

6 / 2014


Ihr Erfolg durch<br />

unsere Erfahrung<br />

DIFFERENZ UND ABSOLUTWERT ÜBERWACHT<br />

E<strong>in</strong>e Schwachstelle kann <strong>der</strong> Kondensator se<strong>in</strong>, wo<br />

das Ammoniak unter hohem Druck steht. Entweichen<br />

an dieser Stelle auch nur kle<strong>in</strong>e Mengen Ammoniak,<br />

so hat das verheerende Auswirkungen auf Mensch<br />

und Umwelt. Wie schon erwähnt, bee<strong>in</strong>flusst die Ammoniakkonzentration<br />

den pH-Wert e<strong>in</strong>er Flüssigkeit.<br />

Tritt nun an e<strong>in</strong>er Stelle Ammoniak <strong>in</strong> den kühlenden<br />

Wasserkreislauf, so kann das durch Messung des pH-<br />

Wertes vor und nach dem Kondensator festgestellt<br />

werden. Beim Entweichen von großen Mengen Ammoniak<br />

tritt sofort e<strong>in</strong>e Differenz <strong>der</strong> beiden Messungen<br />

auf. Bei kle<strong>in</strong>en Mengen ergibt sich ke<strong>in</strong>e<br />

große Differenz, <strong>der</strong> absolute pH-Wert wird sich aber<br />

allmählich erhöhen. E<strong>in</strong>e Überwachung sowohl <strong>der</strong><br />

Differenz als auch des Absolutwertes ist also unerlässlich.<br />

Weiter spricht die Differenzüberwachung<br />

auch bei e<strong>in</strong>em eventuellen Driften (Alterung) <strong>der</strong><br />

pH-Sonden an, was dem System e<strong>in</strong>e gewisse Sicherheit<br />

verleiht. Dieses Verfahren eignet sich nur für<br />

Kühlkreisläufe mit Wasser. Denn bei Verwendung<br />

von Äthylen-Glykol-Zusätzen wird <strong>der</strong> pH-Wert durch<br />

austretendes Ammoniak zu wenig bee<strong>in</strong>flusst.<br />

GRENZWERTÜBERSCHREITUNG LÖST ALARM AUS<br />

In <strong>der</strong> Kunsteisbahn im schweizerischen Wengen<br />

wird seit e<strong>in</strong>igen Jahren mit Erfolg dieses Pr<strong>in</strong>zip <strong>der</strong><br />

Überwachung e<strong>in</strong>gesetzt. Dabei wird Gletscherwasser<br />

zur Kühlung des Kondensators verwendet. Das<br />

erwärmte Wasser dient anschließend zur Heizung des<br />

Badewassers e<strong>in</strong>es Freiluftschwimmbeckens. Zur pH-<br />

Messung werden pro Kreislauf (Kondensator und<br />

Verdampfer) je zwei Jumo pH-Sonden mit angeschlossenen<br />

Messumformern dTRANS pH02 e<strong>in</strong>gesetzt. Die<br />

Messwerte werden durch e<strong>in</strong> di308-Anzeigegerät<br />

mite<strong>in</strong>an<strong>der</strong> verglichen, sowie auf <strong>der</strong>en Absolutwert<br />

überprüft. Bei Überschreitung <strong>der</strong> vorbestimmten<br />

Grenzwerte wird sofort Alarm ausgelöst. In Anlagen,<br />

wo die Kühlung des Kondensators mit Luft erfolgt,<br />

wird nur <strong>der</strong> Verdampferkreislauf überwacht.<br />

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Auf/Zu-Armaturen (z. B. Teilhubtest (PST))<br />

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AUTOR<br />

WALTER WÜEST<br />

ist Branchenmanager<br />

Bahntechnik bei Jumo.<br />

JUMO GmbH & Co. KG,<br />

Moritz-Juchheim-Straße 1,<br />

D-36039 Fulda,<br />

Tel. +49 (0) 661 60 03 27 22,<br />

E-Mail: walter.wueest@jumo.net<br />

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PRAXIS | SENSORTECHNIK<br />

Laufende Echtzeitmessung des Alkoholgehalts im<br />

Destillat sorgt für höchste Qualität <strong>der</strong> Brände<br />

Per elektronischem Dichtemesser optimiert Haidvogl die Prozesskontrolle <strong>in</strong> Schnapsbrennereien<br />

ENTSCHEIDEND<br />

FÜR DIE QUALITÄT<br />

hochwertiger<br />

Brände ist die<br />

laufende präzise<br />

Steuerung des<br />

Alkoholgehaltes<br />

über den gesamten<br />

Produktions prozess.<br />

STATT MITTELS<br />

DISKONTINUIERLICHER<br />

SPINDELABLESUNG<br />

erfolgt die Ermittlung<br />

<strong>der</strong> aktuellen Alkoholkonzentration<br />

durch<br />

Dichtemessung mit<br />

e<strong>in</strong>em Dichtemesser<br />

Liquiphant M Dichte als<br />

Glassp<strong>in</strong>del-Ersatz.<br />

ZU DEN SPEZIALGEBIETEN <strong>der</strong> Haidvogl Film KG<br />

gehört die Destillationstechnik. Für Praxiserprobung<br />

und Entwicklungsoptimierung betreibt <strong>der</strong> <strong>in</strong>novative<br />

Betrieb <strong>in</strong> Alberndorf e<strong>in</strong>e Versuchsanlage für 150<br />

Liter auf dem aktuellen Stand <strong>der</strong> Technik.<br />

Bil<strong>der</strong>: Endress+Hauser<br />

„MIT DEM LIQUIPHANT M DICHTE von Endress+Hauser<br />

an <strong>der</strong> von uns konstruierten Alkoholvorlage lässt sich<br />

die auf 0,1 vol. % genaue Alkoholmessung während des<br />

Destillationsbetriebes sicherstellen“, erläutert Leopold<br />

Haidvogl (rechts), hier im Bild mit Herbert Spr<strong>in</strong>ger,<br />

Projektverantwortlicher bei Endress+Hauser <strong>in</strong> Wien.<br />

Laufende Messungen des Alkoholgehaltes während<br />

des gesamten Produktionsablaufes gewährleisten<br />

die Qualität von Destillaten aus Landprodukten. Bisher<br />

erfolgen diese meist diskont<strong>in</strong>uierlich mit Sp<strong>in</strong>deln.<br />

Die Haidvogl Film KG, als Hersteller von Steuerungssystemen<br />

für Destillationsanlagen, nutzt mo<strong>der</strong>ne <strong>in</strong>dustrielle<br />

Messtechnik <strong>in</strong> Form des Inl<strong>in</strong>e-Dichtemessgerätes<br />

Liquiphant M Dichte von Endress+Hauser zur<br />

zeitnahen Steuerung des Brennvorgangs und hilft<br />

Schnapsbrennern, die Qualität ihrer Erzeugnisse zu<br />

sichern und auszubauen.<br />

Das Mühlviertel genießt beste Imagewerte. Vor allem<br />

ist die oberösterreichische Region nördlich <strong>der</strong> Donau<br />

bekannt für ihre hervorragenden Lebens- und Genussmittel.<br />

Dazu gehören auch die hochwertigen Brände,<br />

zu denen zahlreiche Betriebe regionale Produkte veredeln.<br />

Nicht dieser Branche zurechnen würde man auf den<br />

ersten Blick die Haidvogl Film KG <strong>in</strong> Alberndorf. 1983<br />

von Leopold Haidvogl gegründet, hatte das Unternehmen<br />

bis 2004 se<strong>in</strong>en Tätigkeitsschwerpunkt <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />

Filmproduktion und betrieb sogar e<strong>in</strong>ige Jahre lang<br />

e<strong>in</strong>en Regionalsen<strong>der</strong>. Geblieben ist davon nur <strong>der</strong><br />

Name. Schon 2003 kehrte das Unternehmen zu se<strong>in</strong>en<br />

eigentlichen Wurzeln zurück und beschäftigt sich unter<br />

an<strong>der</strong>em wie<strong>der</strong> mit Datenfunk und Mikrowellenfunktechnik.<br />

Mit Internet- und EDV-Dienstleistungen,<br />

Mikroelektronik-Entwicklung und mechanischer CNC-<br />

Fertigung sowie Messtechnik ist die kle<strong>in</strong>e, <strong>in</strong>novative<br />

Firma nun schon lange e<strong>in</strong> Hightech-Allroun<strong>der</strong>.<br />

Auf dieser, die verschiedenen Diszipl<strong>in</strong>en übergreifenden<br />

Basis, spezialisierte sich Haidvogl im Jahr 2010<br />

auf die Optimierung <strong>der</strong> Destillationstechnik. „Die<br />

zugrunde liegende Idee war, mit e<strong>in</strong>er branchenspezi-<br />

20<br />

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

6 / 2014


fischen Lösung die Lücke zwischen e<strong>in</strong>facher Temperaturregelung<br />

und teurer Industriesteuerung zu schließen“,<br />

sagt Eigentümer Leopold Haidvogl. „Speziell für<br />

Fachleute im Bereich Destillationstechnik entwickelt,<br />

unterstützt unsere DPC (Destillen Process Control) 400<br />

diese mit bis zu zwölf überwachten Temperaturwerten<br />

dabei, ihre Qualität zu sichern und zu steigern.“ Ihre<br />

Präzision und Zuverlässigkeit überzeugte e<strong>in</strong>en führenden<br />

deutschen Destillations-Kesselhersteller, <strong>der</strong><br />

die Steuerung seither als Hauptabnehmer <strong>in</strong> se<strong>in</strong>e Anlagen<br />

<strong>in</strong>tegriert. Mittlerweile stellt Haidvogl mit DPC<br />

100 und DPC 50 auch Systeme für kle<strong>in</strong>ere Anwendungen<br />

her.<br />

In die Entwicklung flossen neben Erfahrungswerten<br />

namhafter Hersteller aus <strong>der</strong> Brennkesseltechnik auch<br />

Erkenntnisse aus Wissenschaft und Forschung e<strong>in</strong>. So<br />

steuerten etwa die Spezialisten für Gärtechnik <strong>der</strong><br />

FH Wels für Ernährungstechnik wichtige Daten und<br />

Parameter für die Entwicklung bei. Der Praxiserprobung<br />

und Entwicklungsoptimierung dient e<strong>in</strong>e hauseigene<br />

Versuchsanlage für 150 Liter auf dem aktuellen<br />

Stand <strong>der</strong> Technik.<br />

FEHLERQUELLEN UND ZEITAUFWAND ENTFALLEN<br />

Ziel <strong>der</strong> Haidvogl-Steuerung ist nicht, den Brennmeister<br />

zu ersetzen, son<strong>der</strong>n diesen von Beobachtungsaufgaben<br />

zu entlasten. Entscheidend für das reproduzierbare<br />

Halten und Steigern <strong>der</strong> Qualität von Destillaten<br />

ist die Überwachung nicht nur verschiedener Temperaturdifferenzen,<br />

son<strong>der</strong>n darüber h<strong>in</strong>aus des aktuellen<br />

Alkoholgehaltes während <strong>der</strong> Produktion, denn sie ist<br />

maßgebend für das Separieren <strong>der</strong> Fraktionen Vorlauf,<br />

Mittellauf und Nachlauf.<br />

Bisher – und <strong>in</strong> den meisten Fällen wohl auch weiterh<strong>in</strong><br />

– geschah dies durch Ablesen e<strong>in</strong>er amtlich geeichten<br />

Sp<strong>in</strong>del <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Glasgefäß mit <strong>der</strong> zu untersuchenden<br />

Flüssigkeit. Ermittelt wurde <strong>der</strong>en Alkoholgehalt<br />

vom Brennmeister anschließend anhand amtlicher Tabellen.<br />

„Neben <strong>der</strong> Gefahr von Ablesefehlern und <strong>der</strong><br />

mangelnden Temperaturkompensation ist die Prozedur<br />

lästig, zudem vergeht zwischen <strong>der</strong> Entnahme des Destillats<br />

und <strong>der</strong> Bestimmung ihres Alkoholgehaltes e<strong>in</strong>ige<br />

Zeit“, nennt Haidvogl die Nachteile <strong>der</strong> bisherigen<br />

Praxis. „Wir gaben uns damit nicht zufrieden und<br />

suchten e<strong>in</strong>e Möglichkeit, diese Werte <strong>in</strong> höchster Genauigkeit,<br />

vor allem aber laufend <strong>in</strong> Echtzeit zu messen.“<br />

DICHTEMESSUNG NACH DEM SCHWINGGABELPRINIZIP<br />

Gleich bleibt dabei die Messung <strong>in</strong> <strong>der</strong> Schnapsvorlage<br />

als Messglas. In <strong>der</strong> Schnapsvorlage selbst kommt als<br />

Ersatz für die Glasmesssp<strong>in</strong>del e<strong>in</strong> Dichtemesser Liquiphant<br />

M Dichte von Endress+Hauser mit e<strong>in</strong>em Dichte-<br />

Elektronike<strong>in</strong>satz FEL50D zum E<strong>in</strong>satz. Dieser arbeitet<br />

nach dem Schw<strong>in</strong>ggabel-Pr<strong>in</strong>zip, das darauf beruht, dass<br />

die Resonanzfrequenz <strong>der</strong> Schw<strong>in</strong>ggabel von <strong>der</strong> Dichte<br />

<strong>der</strong> Flüssigkeit, <strong>der</strong> Prozesstemperatur und dem Prozess-<br />

druck abhängt. Zur Gewährleistung höchster Präzision<br />

wird e<strong>in</strong> Abgleich über drei Messpunkte durchgeführt.<br />

Im E<strong>in</strong>laufröhrchen <strong>der</strong> Schnapsvorlage ist e<strong>in</strong> Sensor<br />

für die Temperaturmessung <strong>in</strong>tegriert, dessen Werte<br />

zur Kompensation <strong>der</strong> Temperature<strong>in</strong>flüsse herangezogen<br />

werden. Der Dichterechner FML621 – ebenfalls<br />

von Endress+Hauser – errechnet mittels komplexer<br />

mathematischer Funktionen aus den Messwerten für<br />

Temperatur und Dichte laufend <strong>in</strong> Echtzeit den wahren<br />

Alkoholgehalt.<br />

KONTROLLE MIT GENAUIGKEIT VON 0,1 PROZENT<br />

„Im Interesse <strong>der</strong> Genauigkeit konstruierten wir e<strong>in</strong>e<br />

Alkoholvorlage mit dem kle<strong>in</strong>sten möglichen Volumen“,<br />

berichtet Haidvogl. „Nur so lässt sich jede kle<strong>in</strong>ste<br />

Än<strong>der</strong>ung des Alkoholgehaltes sofort messtechnisch<br />

erfassen und die auf 0,1 vol. % genaue Alkoholmessung<br />

während des Destillationsbetriebes sicherstellen.“<br />

Als e<strong>in</strong>er <strong>der</strong> weltweit führenden Partner <strong>der</strong> Prozess<strong>in</strong>dustrie<br />

für die Inl<strong>in</strong>e-Messung von Füllstand, Druck,<br />

Durchfluss, Temperatur und verschiedener an<strong>der</strong>er physikalischer<br />

Größen an Medien war Endress+Hauser für<br />

Haidvogl von vornhere<strong>in</strong> erste Wahl. Das Familienunternehmen<br />

hatte zudem erst wenige Jahre zuvor das exakt<br />

passende Produkt entwickelt. „Da unter den Aspekten<br />

Qualitätsüberwachung, Prozesskontrolle und<br />

Umwelt die Erfassung von Dichte und Konzentration <strong>der</strong><br />

gemessenen Stoffe <strong>in</strong> <strong>in</strong>dustriellen Produktionsprozessen<br />

immer mehr an Bedeutung gew<strong>in</strong>nt, wurde <strong>der</strong> bewährte<br />

Pegelschalter Liquiphant M weiterentwickelt“,<br />

sagt Herbert Spr<strong>in</strong>ger, Projektverantwortlicher bei<br />

Endress+Hauser <strong>in</strong> Wien. „Als vollwertiges Inl<strong>in</strong>e-Dichtemessgerät<br />

nach dem Schw<strong>in</strong>ggabelpr<strong>in</strong>zip dient es zur<br />

kostengünstigen Überwachung wichtiger Prozessdaten<br />

im hygienischen Prozessumfeld <strong>in</strong> Echtzeit.“<br />

AUTOR<br />

MARKUS SCHMID ist<br />

Produktmanager Füllstandmesstechnik<br />

bei<br />

Endress+Hauser <strong>in</strong> Weil<br />

am Rhe<strong>in</strong>.<br />

Endress+Hauser Messtechnik GmbH + Co. KG,<br />

Colmarer Strasse 6, D-79576 Weil am Rhe<strong>in</strong>,<br />

Tel. +49 (0) 7621 97 53 06,<br />

E-Mail: markus.schmid@de.endress.com<br />

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

6 / 2014<br />

21


PRAXIS | SENSORTECHNIK<br />

Wo hoch präzise Glasmaßstäbe schwächeln,<br />

punkten <strong>in</strong>duktive Wegsensoren mit Robustheit<br />

Lagerhersteller erspart sich mit neuer Messtechnik den ständigen Austausch zerstörter Geräte<br />

Die Kugel- und Rollenlagerwerk Leipzig GmbH<br />

(KRW) arbeitet beim Schleifprozess mit Genauigkeiten<br />

im Mikrometerbereich. Eigentlich e<strong>in</strong> Fall für<br />

optische Messsysteme. Aber die im Schleifprozess erfor<strong>der</strong>liche<br />

Kühl-Schmierstoff-Emulsion setzte den<br />

bislang zur Messung e<strong>in</strong>gesetzten Glasmaßstäben so<br />

stark zu, dass sie oft nach e<strong>in</strong>em halben Jahr getauscht<br />

werden mussten – zu Stückkosten im vierstelligen Bereich.<br />

Mit Turcks berührungslosem L<strong>in</strong>earwegsensor<br />

LI-Q25 hat KRW nun e<strong>in</strong>e robuste und verschleißfreie<br />

Dauerlösung und erspart sich den regelmäßigen Austausch<br />

defekter Glasmaßstäbe.<br />

Man sieht sie nicht, man hört sie nicht und doch vertrauen<br />

wir alltäglich darauf, dass sie gute Arbeit leisten:<br />

Ohne Wälzlager bewegt sich heute nur wenig – schon<br />

gar nicht <strong>in</strong> <strong>der</strong> Industrie. In Leipzig behauptet die Kugel-<br />

und Rollenlagerwerk Leipzig GmbH erfolgreich<br />

ihre Marktnische <strong>in</strong> diesem Feld. Der Hidden Champion<br />

KRW spezialisierte sich auf Hochpräzisions-Wälzlager,<br />

Spezialanfertigungen und Kle<strong>in</strong>serien.<br />

E<strong>in</strong> weiterer Vorteil, mit dem die Sachsen bei ihren<br />

Kunden weltweit punkten können, s<strong>in</strong>d Flexibilität und<br />

Liefergeschw<strong>in</strong>digkeit. „Unsere Genauigkeit liegt immer<br />

im Mikrometer-Bereich“, sagt Karl Wolter, Direktor<br />

Market<strong>in</strong>g und Vertrieb bei KRW, und beschreibt die<br />

Dimensionen: „Wenn Sie e<strong>in</strong> Blatt Standard-Druckerpapier<br />

nehmen und <strong>in</strong> zehn Lagen teilen, dann ist e<strong>in</strong>e<br />

dieser Lagen e<strong>in</strong> Mikrometer stark.“<br />

HÖCHSTE ANFORDERUNGEN AN DIE PRÄZISION<br />

Aus dieser Marktpositionierung erwachsen spezielle<br />

Anfor<strong>der</strong>ungen an die e<strong>in</strong>gesetzte Sensorik. Die Messsysteme<br />

bei KRW müssen hochpräzise se<strong>in</strong>. Magnetostriktive<br />

und an<strong>der</strong>e magnetische Systeme scheiden<br />

aus, da sie durch die starken Magnetfel<strong>der</strong> bee<strong>in</strong>flusst<br />

werden, welche die Werkstücke fixieren.<br />

In <strong>der</strong> Regel setzt KRW daher auf optische Systeme,<br />

denn die Anfor<strong>der</strong>ungen an die Genauigkeit lassen fast<br />

ke<strong>in</strong>e an<strong>der</strong>en Messsysteme zu. Der Nachteil <strong>der</strong> optischen<br />

Systeme ist allerd<strong>in</strong>gs ihre hohe Anfälligkeit<br />

<strong>in</strong> dieser rauen Fertigungsumgebung. „Wir haben <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />

Schleiferei das Problem, dass die Kühl-Schmierstoff-<br />

Emulsion, die wir verwenden, <strong>in</strong> die Sensorik e<strong>in</strong>dr<strong>in</strong>gt.<br />

Durch die Rotation des Werkzeugs beim Schleifen<br />

zerstäubt das Medium und es entsteht e<strong>in</strong>e Gischt,<br />

die sich auf den Masch<strong>in</strong>en und den Sensoren trotz<br />

Schutzmaßnahmen und Sperrluft nie<strong>der</strong>schlägt“, erklärt<br />

<strong>der</strong> Leiter <strong>der</strong> Schleiferei, Frank Schubert.<br />

SCHMIERSTOFF IST GIFT FÜR DIE GLASMASSSTÄBE<br />

Dieser Schmierstoff – auch Slurry genannt – hat e<strong>in</strong>e<br />

sehr ger<strong>in</strong>ge Oberflächenspannung. Im Prozess ist das<br />

gewünscht, die Slurry kann so bis <strong>in</strong> die engste Ritze<br />

kriechen. Für die empf<strong>in</strong>dlichen Glasmaßstäbe ist diese<br />

Eigenschaft allerd<strong>in</strong>gs Gift. „Durch die Bewegung<br />

des Positionsgebers dr<strong>in</strong>gt an <strong>der</strong> Dichtlippe des Sensors<br />

immer auch etwas Slurry e<strong>in</strong>. Nach zirka sechs<br />

Monaten war <strong>der</strong> optische Sensor an <strong>der</strong> Vorschleifmasch<strong>in</strong>e<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> Regel defekt“, beschreibt KRW-Instandhalter<br />

Holger Lietsch den Nachteil des bislang e<strong>in</strong>gesetzten<br />

Glasmaßstabs.<br />

Im Vorschleifprozess werden die Flächen <strong>der</strong> Außenund<br />

Innenr<strong>in</strong>ge etlicher Wälzlager geschliffen. Es ist<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> Regel <strong>der</strong> erste Bearbeitungsschritt nach dem<br />

Härtungsverfahren. Hier ist zunächst noch e<strong>in</strong>e Genauigkeit<br />

im Hun<strong>der</strong>tstel-Millimeter-Bereich ausreichend.<br />

Die entscheidende Präzision <strong>der</strong> Lager wird<br />

später beim Fertigschleifen und F<strong>in</strong>ishen erreicht. Je<br />

nach Charge lassen sich auf <strong>der</strong> Vorschleifmasch<strong>in</strong>e<br />

R<strong>in</strong>ge bis zu 500 Millimeter Höhe schleifen. E<strong>in</strong> starker<br />

Elektromagnet hält dazu die Außenr<strong>in</strong>ge auf dem Masch<strong>in</strong>entisch.<br />

Der Werkzeugsupport fährt auf den zu<br />

bearbeitenden R<strong>in</strong>g und die Anzeige des LI-Sensors<br />

wird auf Null gesetzt. Von diesem gesetzten Referenzpunkt<br />

ist es dem Masch<strong>in</strong>enbediener möglich, zu sehen,<br />

wie viel Materialabtrag bis zur durchgeschliffenen<br />

Fläche erfolgte.<br />

MAGNETISCHE SENSOREN KOMMEN NICHT IN FRAGE<br />

„Magnetische Sensoren kann man hier aufgrund <strong>der</strong><br />

starken Magnetfel<strong>der</strong> nicht e<strong>in</strong>setzen. Wir haben den<br />

starken Elektromagneten und außerdem direkt neben<br />

dem Sensor e<strong>in</strong>en 30-kW-Motor, <strong>der</strong> die Hauptsp<strong>in</strong>del<br />

antreibt“, erklärt Lietsch. Insofern blieb KRW bislang<br />

nur übrig, <strong>in</strong> den sauren Apfel zu beißen und die Glasmaßstäbe<br />

e<strong>in</strong>zusetzen.<br />

Ausgefallene Geräte g<strong>in</strong>gen dann zur Befundung<br />

zum Hersteller, <strong>der</strong> sie teilweise aufarbeiten konnte.<br />

Allerd<strong>in</strong>gs ist dieser Re<strong>in</strong>igungsprozess meist nur e<strong>in</strong>mal<br />

möglich. Danach muss e<strong>in</strong> neuer Sensor angeschafft<br />

werden. Die Reparaturkosten lagen pro Stück<br />

im vierstelligen Euro-Bereich, e<strong>in</strong>e Neuanschaffung<br />

ist noch teurer. Außerdem musste KRW noch die Arbeitszeit<br />

des Instandhaltungspersonals <strong>in</strong> die Kalkulation<br />

e<strong>in</strong>beziehen. Die Schleifmasch<strong>in</strong>e selbst konnte<br />

zwar weiter betrieben werden, allerd<strong>in</strong>gs nur konventionell.<br />

Ohne den Sensor müssen die Mitarbeiter<br />

die Masch<strong>in</strong>e anhand e<strong>in</strong>er analogen Anzeige justieren.<br />

Die Skalierung ist am Handrad aufgezeichnet und<br />

kann daher nicht exakt auf Null gesetzt werden.<br />

Seit Herbst 2013 erfasst e<strong>in</strong> <strong>in</strong>duktiver L<strong>in</strong>earwegsensor<br />

von Turck die Schleiftiefe an <strong>der</strong> Vorschleifmasch<strong>in</strong>e<br />

auf 10 Mikrometer genau. Die LI-Sensoren arbeiten<br />

nach dem Resonator-Messpr<strong>in</strong>zip, bei dem die Positionserfassung<br />

nicht über e<strong>in</strong>en magnetischen Positionsgeber<br />

erfolgt, son<strong>der</strong>n <strong>in</strong>duktiv über e<strong>in</strong> schw<strong>in</strong>gfähiges<br />

System aus Kondensator und Spule. Das berührungslose<br />

System erlaubt es, das Gehäuse des Sensors komplett<br />

zu vergießen und damit dauerhaft Schutzart IP67<br />

zu erfüllen. Auch unter widrigsten Bed<strong>in</strong>gungen kann<br />

ke<strong>in</strong>e Substanz <strong>in</strong> den Sensor e<strong>in</strong>dr<strong>in</strong>gen und se<strong>in</strong>e<br />

Funktion stören.<br />

22<br />

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

6 / 2014


AUF DEM<br />

BEDIENPULT<br />

<strong>der</strong> Flachschleifmasch<strong>in</strong>e<br />

zeigt<br />

die Digitalanzeige<br />

den Messwert des<br />

LI-Sensors an.<br />

EMV-RESISTENT:<br />

Der h<strong>in</strong>ter dem<br />

Faltenbalg<br />

montierte 30-kW-<br />

Elektromotor <strong>der</strong><br />

Hauptsp<strong>in</strong>del<br />

stört Turcks<br />

LI-Q25 nicht im<br />

Ger<strong>in</strong>gsten.<br />

Fotos: Turck<br />

DIE IM SCHLEIF-<br />

PROZESS<br />

erfor<strong>der</strong>liche<br />

Kühl-Schmierstoff-Emulsion<br />

machte die<br />

bislang verwendeten<br />

Glasmaßstäbe<br />

nach sechs<br />

Monaten<br />

unbrauchbar.<br />

GROSSE LAGER – HOHE PRÄZISION: Bei Fertigungstoleranzen<br />

im Mikrometer-Bereich ist präzise Messtechnik<br />

gefragt, <strong>der</strong> auch die im Schleifprozess erfor<strong>der</strong>lichen<br />

aggressiven Schmiermittel nichts anhaben können.<br />

UNEMPFINDLICH GEGEN UMWELTEINFLÜSSE<br />

Gegenüber magnetostriktiven L<strong>in</strong>earwegsensoren<br />

punktet das <strong>in</strong>duktive Messsystem von Turck mit se<strong>in</strong>er<br />

hohen Unempf<strong>in</strong>dlichkeit: Obwohl sich <strong>der</strong> Elektromotor<br />

für den Hauptsp<strong>in</strong>delantrieb nah am Sensor bef<strong>in</strong>det,<br />

bee<strong>in</strong>trächtigt er dessen Funktion überhaupt nicht.<br />

Auch die magnetische Fixiere<strong>in</strong>richtung des Masch<strong>in</strong>entischs<br />

hat ke<strong>in</strong>en negativen E<strong>in</strong>fluss auf die Zuverlässigkeit<br />

<strong>der</strong> Messung des LI-Q25.<br />

KRW-Instandhalter Holger Lietsch setzt beim LI-Q25<br />

auf e<strong>in</strong>e digitale Signalübertragung. Das verwendete<br />

SSI-Signal arbeitet mit Hilfe <strong>der</strong> sogenannten Differenzübertragung.<br />

E<strong>in</strong>e e<strong>in</strong>strahlende Störquelle hat<br />

somit nicht den negativen E<strong>in</strong>fluss, den sie auf e<strong>in</strong><br />

analoges Signal ausüben könnte. KRW verzichtet deshalb<br />

hier auf aufwendig geschirmte Leitungen. Der<br />

L<strong>in</strong>earwegsensor liefert se<strong>in</strong> Signal an e<strong>in</strong>e digitale<br />

Anzeige, die am Bedienpult <strong>der</strong> Schleifmasch<strong>in</strong>e<br />

montiert ist.<br />

Anfangs spielten Sensor und Anzeige noch nicht optimal<br />

zusammen. Nach e<strong>in</strong>er Firmware-Anpassung des<br />

Sensors für diese spezielle Anzeige funktioniert das<br />

System zuverlässig und störungsfrei. Die Mitarbeiter <strong>in</strong><br />

<strong>der</strong> Schleiferei können jetzt den Schleifprozess präzise<br />

durchführen. Das Plan- beziehungsweise Flachschleifen<br />

legt den Grundste<strong>in</strong> für die späteren Bearbeitungsschritte.<br />

Fehler, die hier entstehen, können später nur<br />

schwer korrigiert werden.<br />

AUTOR<br />

JENS GIERKE ist<br />

Vertriebsspezialist bei<br />

Turck <strong>in</strong> Mülheim.<br />

Hans Turck GmbH & Co. KG,<br />

Witzlebenstraße 7,<br />

D-45472 Mülheim an <strong>der</strong> Ruhr,<br />

Tel. +49 (0) 3592 316 37,<br />

E-Mail: jens.gierke@turck.com<br />

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

6 / 2014<br />

23


PRAXIS<br />

Aufgearbeitet statt neu: Perfektes Nachschleifen<br />

vervielfacht die Lebensdauer von Werkzeugen<br />

Exakte Schneidkantenpräparation und optimale Neubeschichtung entscheiden über die Qualität<br />

AUFARBEITUNG<br />

BEIM HERSTEL-<br />

LER LOHNT SICH,<br />

wie e<strong>in</strong>e Fallstudie<br />

zeigte: Durch<br />

Performance- und<br />

Standzeitvorteile<br />

ergab sich <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />

Gesamtbetrachtung<br />

e<strong>in</strong>e 70-prozentige<br />

E<strong>in</strong>sparung.<br />

NACHSCHLEIFEN: Fachgerechtes<br />

Recondition<strong>in</strong>g mit Orig<strong>in</strong>algeometrie und<br />

Orig<strong>in</strong>al beschichtung garantiert hohe<br />

Standzeiten und Prozesssicherheit.<br />

UNKOMPLIZIERT: Die Box wird mit verschlissenen<br />

Werkzeugen befüllt und vom Hersteller abgeholt.<br />

HALBIERTE KOSTEN: Beim dritten Nachschliff s<strong>in</strong>ken<br />

die Werkzeugkosten um 50 Prozent. Bil<strong>der</strong>: Walter AG<br />

Nachhaltigkeit steht nicht nur für die Schonung von<br />

Ressourcen und Umwelt, son<strong>der</strong>n ist auch im hohen<br />

Maß relevant für die Wirtschaftlichkeit <strong>der</strong> Unternehmen.<br />

In <strong>der</strong> metallzerspanenden Industrie lassen<br />

sich beispielsweise durch fachgerechtes Nachschleifen<br />

und Neubeschichten von Zerspanungswerkzeugen erhebliche<br />

Kosten sparen.<br />

Für die Walter AG aus Tüb<strong>in</strong>gen, Spezialist für Hochleistungs-Zerspanungswerkzeuge,<br />

haben deshalb <strong>der</strong><br />

ganzheitliche Produktzyklus ihrer Werkzeuge und dessen<br />

nachhaltige Gestaltung e<strong>in</strong>en hohen Stellenwert. Den zweiten<br />

Schritt im Lebenszyklus <strong>der</strong> Walter-Produkte stellt konsequenterweise<br />

die Wie<strong>der</strong>aufbereitung dar. Die Kunden<br />

des Unternehmens lassen ihre Werkzeuge drei- bis fünfmal<br />

<strong>in</strong> speziellen Recondition<strong>in</strong>g Centern nachschleifen und<br />

neu beschichten. Innerhalb von 14 Tagen erhalten sie die<br />

zuvor abgenutzten Werkzeuge <strong>in</strong> Orig<strong>in</strong>alqualität zurück<br />

– fast wie neu. Recondition<strong>in</strong>g ist für Walter e<strong>in</strong> entscheiden<strong>der</strong><br />

Bestandteil des – verlängerten, kosten- und ressourcenschonenden<br />

– Produktlebenszyklus.<br />

24<br />

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

6 / 2014


VOLLSTÄNDIG GESCHLOSSENER PRODUKTKREISLAUF<br />

S<strong>in</strong>d die Werkzeuge endgültig verschlissen, bietet Walter<br />

den Rückkauf des Hartmetallwertstoffs zu Kilopreisen<br />

an und organisiert den Rücktransport. Das Material<br />

wird dann <strong>in</strong> den Recycl<strong>in</strong>gwerken des Unternehmens<br />

<strong>in</strong> se<strong>in</strong>e Bestandteile zersetzt, zu re<strong>in</strong>em Wolframcarbid<br />

verarbeitet und wie<strong>der</strong> für die Produktion<br />

neuer Werkzeuge e<strong>in</strong>gesetzt. So entsteht e<strong>in</strong> vollständig<br />

geschlossener Produktkreislauf.<br />

Bei den Kunden spielt das Recondition<strong>in</strong>g für die<br />

Wirtschaftlichkeit e<strong>in</strong>e entscheidende Rolle. Denn hier<br />

schlummert – im Vergleich zur Anschaffung neuer Ersatzwerkzeuge<br />

– e<strong>in</strong> enormes E<strong>in</strong>sparungspotenzial.<br />

Daher stellt die Wie<strong>der</strong>aufbereitbarkeit von Werkzeugen<br />

<strong>in</strong>zwischen e<strong>in</strong>en festen Bestandteil bei <strong>der</strong> Entwicklung<br />

von Neu-Werkzeugen dar.<br />

E<strong>in</strong>e immens wichtige Stellschraube für Leistung und<br />

Standzeit ist die exakte Schneidkantenpräparation. Aus<br />

diesem Grund s<strong>in</strong>d verschlissene Werkzeuge beim Recondition<strong>in</strong>g-Service<br />

des Herstellers <strong>in</strong> den besten Händen.<br />

Denn nur dieser kann die Bohrer wie<strong>der</strong> mit allen<br />

Fe<strong>in</strong>heiten versehen und somit <strong>in</strong> e<strong>in</strong>en Fast-wie-neu-<br />

Zustand versetzen. Das gilt auch für die Beschichtung.<br />

Nach nur dreimaligem Wie<strong>der</strong>aufbereiten lassen sich so<br />

bereits 50 bis 60 Prozent <strong>der</strong> Werkzeugkosten e<strong>in</strong>sparen.<br />

KURZFRISTIGE EINSPARUNGEN RECHNEN SICH NICHT<br />

Walter hat das Nachschleifen nicht erfunden, betreibt<br />

es aber auf hohem Niveau. Die Wie<strong>der</strong>aufbereitung<br />

durch die Walter Recondition<strong>in</strong>g-Experten erfolgt mit<br />

Orig<strong>in</strong>algeometrie und <strong>der</strong> leistungsfähigen Orig<strong>in</strong>al-<br />

Beschichtung. E<strong>in</strong> herkömmlicher Nachschliff mit<br />

Standardbeschichtung würde zu deutlich ger<strong>in</strong>geren<br />

Standzeiten und ger<strong>in</strong>gerer Prozesssicherheit führen.<br />

Dass Qualität ihren Preis hat, ist e<strong>in</strong>e alte B<strong>in</strong>senweisheit,<br />

die für die Recondition<strong>in</strong>g-Spezialisten von Walter<br />

sehr konkrete Bedeutung hat: Lokale Nachschleifbetriebe<br />

konkurrieren häufig mit ger<strong>in</strong>geren Service-Preisen.<br />

Doch Qualität ist auch ihren Preis wert – und führt<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> Gesamtbetrachtung letztlich doch zu E<strong>in</strong>sparungen.<br />

So konnte Walter <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Fallstudie mit e<strong>in</strong>em<br />

großen Kunden, e<strong>in</strong>em Hersteller von Zubehörteilen für<br />

den Automobilbereich, zeigen, dass kurzfristige Kostene<strong>in</strong>sparungen<br />

beim Nachschleifen langfristig betrachtet<br />

die Produktionskosten deutlich erhöhen.<br />

Der Kunde bearbeitete e<strong>in</strong> Werkstück aus legiertem<br />

Stahl mit dem Hochleistungsfräser Proto max ST. Nach<br />

Verschleiß des Werkzeugs wurde dieses <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em lokalen<br />

Betrieb, zu dem langjährige Geschäftsbeziehungen<br />

bestanden, nachgeschliffen – zu e<strong>in</strong>em günstigeren<br />

Preis im Vergleich zum Angebot von Walter. Im Feldversuch<br />

g<strong>in</strong>g es nun darum, die Performance <strong>der</strong> beiden<br />

Alternativen gegene<strong>in</strong>an<strong>der</strong> zu testen. Gleich zu Beg<strong>in</strong>n<br />

ergab sich e<strong>in</strong>e überraschende Erkenntnis: Die vom lokalen<br />

Betrieb nachgeschliffenen Werkzeuge wurden<br />

mit um 40 Prozent niedrigeren Bearbeitungsparame-<br />

tern gefahren, als die von Walter wie<strong>der</strong>aufbereiteten<br />

Werkzeuge. Lei<strong>der</strong> ist das e<strong>in</strong>e häufige Vorgehensweise,<br />

die manchem Werkleiter vielleicht gar nicht bewusst<br />

ist: Der Masch<strong>in</strong>enbediener hat se<strong>in</strong>e Erfahrungswerte<br />

mit dem nachgeschliffenen Werkzeug – <strong>in</strong> diesem Fall<br />

e<strong>in</strong>e schlechtere Leistung – und passt die Masch<strong>in</strong>e<br />

entsprechend an.<br />

PRODUKTIONSKOSTEN UM 70 PROZENT GESENKT<br />

Trotz dieser künstlichen Drosselung ergab sich im<br />

zweiten Schritt e<strong>in</strong> noch überraschen<strong>der</strong>es Ergebnis:<br />

Die Werkzeuglebensdauer des von Walter nachgeschliffenen<br />

Fräsers war um e<strong>in</strong> Vielfaches höher als die des<br />

lokalen Nachschliffs. E<strong>in</strong> enormer Performanceunterschied,<br />

<strong>der</strong> sich unterm Strich auch sehr deutlich <strong>in</strong><br />

den Herstellungskosten bemerkbar macht. Trotz <strong>der</strong><br />

höheren Kosten des Orig<strong>in</strong>al-Nachschliffs ließen sich<br />

durch das Walter Recondition<strong>in</strong>g rund 70 Prozent an<br />

Produktionskosten gegenüber dem lokalen Nachschliff<br />

e<strong>in</strong>sparen. Deshalb ist es enorm wichtig, wie beim Neu-<br />

Teil, auf das Know-how des Orig<strong>in</strong>al-Herstellers zu<br />

setzen. Die Werkzeuge, die vom Walter Recondition<strong>in</strong>g-<br />

Service kommen, haben praktisch die gleiche Qualität<br />

wie Neuwerkzeuge. Entsprechend können sie auch mit<br />

denselben Bearbeitungsparametern gefahren werden.<br />

Das spart Masch<strong>in</strong>enzeit und -kosten. Außerdem ist die<br />

Werkzeuglebensdauer deutlich länger, als bei durch<br />

Wettbewerber nachgeschliffenen Werkzeugen. Dadurch<br />

s<strong>in</strong>d beispielsweise weniger Werkzeugwechsel nötig<br />

und die Produktivität erhöht sich.<br />

Jenen Kunden, bei dem die Fallstudie durchgeführt<br />

wurde, haben diese gewichtigen Argumente überzeugt.<br />

Dort ist Walter Recondition<strong>in</strong>g nun fester Bestandteil<br />

e<strong>in</strong>es wirtschaftlich optimierten Herstellungsprozesses.<br />

AUTOR<br />

JENS-PETER SCHNECK<br />

ist Recondition<strong>in</strong>g &<br />

Recycl<strong>in</strong>g Manager bei <strong>der</strong><br />

Walter AG.<br />

Walter AG,<br />

Derend<strong>in</strong>ger Str. 53, D-72072 Tüb<strong>in</strong>gen,<br />

Tel. +49 (0) 7071 701 12 34,<br />

E-Mail: jens-peter.schneck@walter-tools.com<br />

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

6 / 2014<br />

25


HAUPTBEITRAG<br />

<strong>Konzept</strong> <strong>offener</strong> <strong>Regler</strong>:<br />

<strong>FPGA</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Antriebstechnik</strong><br />

Modulare Architektur löst spezialisierte Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

Systeme mit programmierbarer Logik <strong>in</strong> Form von Field Programmable Gate Arrays<br />

(<strong>FPGA</strong>) werden zunehmend für die <strong>Antriebstechnik</strong> <strong>in</strong>teressant. Die Gründe dafür<br />

s<strong>in</strong>d die mit e<strong>in</strong>er Hardware-Implementierung vergleichbare Leistung, die Flexibilität<br />

im Entwurfsprozess und im Feld sowie die Skalierbarkeit des Funktionsumfangs.<br />

Das im Beitrag vorgestellte <strong>Konzept</strong> zeigt Struktur, Funktionsweise und Entwurf<br />

e<strong>in</strong>er komponentenorientierten Architektur für e<strong>in</strong> Antriebssystem. Der Fokus<br />

liegt dabei auf <strong>der</strong> günstigen Nutzung <strong>der</strong> resultierenden Freiheitsgrade <strong>in</strong> Hard- und<br />

Software. Es wird gezeigt, dass die Architektur den <strong>in</strong>dustriellen Standards und<br />

speziellen Anfor<strong>der</strong>ungen e<strong>in</strong>er beispielhaften Anwendung h<strong>in</strong>sichtlich Robustheit<br />

und Flexibilität gerecht wird.<br />

SCHLAGWÖRTER <strong>FPGA</strong>-Technologie / <strong>Antriebstechnik</strong> / Architekturkonzept /<br />

Offenheit / <strong>Regler</strong>system<br />

Concept Open Controller: <strong>FPGA</strong> <strong>in</strong> Drive Technology –<br />

A Modular Architecture for Specialized Requirements<br />

Systems with programmable logic are becom<strong>in</strong>g more and more <strong>in</strong>terest<strong>in</strong>g <strong>in</strong> drive<br />

eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g. This is due to the performance, which can be compared to a hardware<br />

based implementation, the flexibility <strong>in</strong> the design process and the range of applications,<br />

as well as the scalability. The concept shows structure, functionality and<br />

design of a component-based architecture for a drive control system. The focus is on<br />

the beneficial use of the result<strong>in</strong>g degrees of freedom <strong>in</strong> hardware and software. The<br />

article shows that the architecture is able to meet <strong>in</strong>dustrial standards as well as<br />

special requirements for a typical application regard<strong>in</strong>g robustness and flexibility.<br />

KEYWORDS <strong>FPGA</strong> technology / drive eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g / architectural concept / openness /<br />

closed loop control system<br />

26<br />

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

6 / 2014


PETER ZAHN, IGOR LAPTEV, ALEXANDER VERL, Universität Stuttgart<br />

Das Institut für Steuerungstechnik <strong>der</strong><br />

Werkzeugmasch<strong>in</strong>en und Fertigungse<strong>in</strong>richtungen<br />

<strong>der</strong> Universität Stuttgart (ISW)<br />

beschäftigt sich im Rahmen von Forschungsvorhaben<br />

mit Architekturen für<br />

offene <strong>Regler</strong>systeme. Die Offenheit zielt dabei auf<br />

möglichst hardwareunabhängige Strukturen und<br />

Schnittstellen, sodass die Austauschbarkeit von<br />

Komponenten und <strong>der</strong> Zugriff auf beliebige <strong>in</strong>terne<br />

Signale möglich ist. Entsprechende <strong>Konzept</strong>e und<br />

Implementierungen wurden im Rahmen <strong>der</strong> Entwicklung<br />

<strong>der</strong> offenen Antriebsreglerplattform [1, 2]<br />

umgesetzt.<br />

Derartige Systeme eignen sich für e<strong>in</strong>en universellen<br />

E<strong>in</strong>satz <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Antriebstechnik</strong>. Wesentlicher<br />

Aspekt dabei ist die Nutzung von programmierbarer<br />

Logik <strong>in</strong> Form von Field Programmable Gate Arrays<br />

(<strong>FPGA</strong>). Speziell kle<strong>in</strong>e Stückzahlen und Prototypen<br />

profitieren von <strong>der</strong> erhöhten Flexibilität im Entwurfsprozess,<br />

die die gegenüber klassischen mikrocontrollerbasierten<br />

Systemen höheren Kosten aufwiegt. Die<br />

Entwurfswerkzeuge ermöglichen es e<strong>in</strong>erseits, e<strong>in</strong><br />

hierarchisches Design mit unabhängig arbeitenden<br />

Subsystemen zu strukturieren, an<strong>der</strong>erseits trotzdem<br />

vollen Zugriff auf die <strong>in</strong>ternen Signalpfade zu behalten.<br />

Das vorgestellte <strong>Konzept</strong> stellt e<strong>in</strong> neuartiges<br />

<strong>Regler</strong>system auf <strong>FPGA</strong>-Basis dar, das sich dank modularem<br />

Aufbau und <strong>der</strong> Verwendung üblicher <strong>in</strong>dustrieller<br />

Schnittstellen vielseitig <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Antriebstechnik</strong><br />

e<strong>in</strong>setzen lässt. Bild 1 zeigt die mögliche<br />

Ausgestaltung e<strong>in</strong>er solchen Antriebsreglerplattform.<br />

Für Standardanwendungen existieren bereits zahlreiche<br />

kommerziell verfügbare Antriebssysteme. Im<br />

Falle von spezielleren Anwendungen weisen sie oft<br />

nicht genug Flexibilität auf. Beispielhaft für e<strong>in</strong>e solche<br />

Anwendung steht <strong>in</strong> diesem Beitrag <strong>der</strong> Antrieb<br />

e<strong>in</strong>er aktiv angetriebenen Knieprothese. Da hier hohe<br />

Leistungsdichte, Integration und Robustheit gefor<strong>der</strong>t<br />

werden und unterschiedliche Lastsituationen und E<strong>in</strong>satzbereiche<br />

vorherrschen, müssen die entsprechenden<br />

Entwicklungsprozesse und die e<strong>in</strong>gesetzten Algorithmen<br />

berücksichtigt werden.<br />

1. GRUNDLEGENDE UND SPEZIELLE ANFORDERUNGEN<br />

Im H<strong>in</strong>blick auf e<strong>in</strong>e universelle Verwendung <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Antriebstechnik</strong><br />

muss das offene <strong>Regler</strong>system robuste, <strong>in</strong>dustrieübliche<br />

Schnittstellen aufweisen. Traditionell s<strong>in</strong>d<br />

dies zum Beispiel analoge und digitale Spannungsschnittstellen<br />

mit von üblicher Digitaltechnik abweichenden<br />

Pegeln. Weiterh<strong>in</strong> müssen unterschiedliche Gebersysteme<br />

e<strong>in</strong>lesbar se<strong>in</strong> sowie Schnittstellen zur Leistungselektronik,<br />

wie gegebenenfalls zu e<strong>in</strong>er übergeordneten Steuerungsebene,<br />

vorgesehen werden. Zur optimalen Anpassung<br />

an die jeweilige Anwendung ist e<strong>in</strong>e gute Skalierbarkeit<br />

wünschenswert. Die e<strong>in</strong>zelnen funktionalen Primitive<br />

von <strong>der</strong> Benutzer<strong>in</strong>teraktion und Bahngenerierung<br />

über die Regelung bis zur Stromvektormodulation müssen<br />

modular e<strong>in</strong>gebunden o<strong>der</strong> an e<strong>in</strong> bestehendes externes<br />

System angebunden werden können.<br />

Pr<strong>in</strong>zipiell s<strong>in</strong>d diese Anfor<strong>der</strong>ungen bereits durch die<br />

Nutzung konventioneller Automatisierungskomponenten<br />

auf Mikrocontroller- beziehungsweise PC-Basis erfüllbar.<br />

Unterschiede ergeben sich jedoch, wenn beson<strong>der</strong>s bei<br />

Prototypen o<strong>der</strong> kle<strong>in</strong>en Stückzahlen die Flexibilität e<strong>in</strong><br />

wesentlicher Aspekt ist. Nachfolgend wird deshalb e<strong>in</strong><br />

exemplarischer Anwendungsbereich vorgestellt, <strong>der</strong> von<br />

<strong>der</strong> <strong>FPGA</strong>-basierten Architektur profitiert.<br />

1.1 Anwendungsbeispiel Knieprothese<br />

E<strong>in</strong> beispielhaftes E<strong>in</strong>satzgebiet für die vorgestellte Plattform<br />

ist die Entwicklung des Antriebs e<strong>in</strong>er aktiv angetriebenen<br />

Knieprothese im Rahmen e<strong>in</strong>es geme<strong>in</strong>samen<br />

Forschungsprojekts mit Hochschul- und Industriepartnern.<br />

Bed<strong>in</strong>gt durch die Zunahme von Gefäßerkrankungen<br />

steigt die Zahl <strong>der</strong> Patienten mit amputierten<br />

Extremitäten, die durch Prothesen versorgt werden müssen.<br />

Derzeit marktübliche passive Systeme stellen e<strong>in</strong>e<br />

hohe Belastung für den Träger dar, da <strong>der</strong> Mensch die zur<br />

Fortbewegung notwendige Energie komplett über den verbleibenden<br />

Bewegungsapparat generieren muss. Der hier<br />

umgesetzte Ansatz, um die Energiebilanz beim Gehen zu<br />

verbessern, ist e<strong>in</strong> aktiver elektrischer Antrieb des Knie-<br />

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

6 / 2014<br />

27


HAUPTBEITRAG<br />

gelenks. Am ISW wird für diesen Prototyp die notwendige<br />

Antriebsregelung entworfen und implementiert.<br />

Die Anfor<strong>der</strong>ungen an das <strong>Regler</strong>system ergeben sich<br />

aus <strong>der</strong> Notwendigkeit, für die Evaluierung situationsgerechter<br />

Steuerungsmuster die Regelung zur Laufzeit<br />

zwischen unterschiedlichen Betriebsarten (zum Beispiel<br />

Lage- o<strong>der</strong> Momentenregelung) umschalten zu<br />

können. Aufgrund von Unbekannten im H<strong>in</strong>blick auf<br />

biologische Bewegungsmuster müssen strukturell viele<br />

Freiheitsgrade und e<strong>in</strong>e umfangreiche Parametrierbarkeit<br />

vorgesehen werden.<br />

E<strong>in</strong>e exemplarische Beson<strong>der</strong>heit ergibt sich dabei<br />

aus dem biologischen Vorbild: Beim menschlichen Gehen<br />

wird <strong>der</strong> Gangzyklus wie<strong>der</strong>holt durchlaufen, <strong>der</strong><br />

sich beim Gehen <strong>in</strong> <strong>der</strong> Ebene <strong>in</strong> zwei Phasen glie<strong>der</strong>t,<br />

dargestellt nach [3] <strong>in</strong> Bild 2.<br />

Die Standphase beg<strong>in</strong>nt mit dem Aufsetzen <strong>der</strong> Ferse<br />

und umfasst das Abrollen des Fußes mit Bodenkontakt.<br />

Dabei wird das Moment im Knie <strong>in</strong> die Vorwärtsbewegung<br />

des Körperschwerpunkts umgesetzt. Mit dem Abheben<br />

<strong>der</strong> Fußspitze folgt die Schwungphase, <strong>in</strong> <strong>der</strong> das Be<strong>in</strong>,<br />

beziehungsweise die Prothese, wie<strong>der</strong> nach vorne bewegt<br />

wird. Hierbei wird das frei schw<strong>in</strong>gende Be<strong>in</strong> vom Kniemoment<br />

gegen se<strong>in</strong>e Trägheit beschleunigt und verzögert.<br />

Das dynamische Verhalten des menschlichen Bewegungssystems<br />

variiert dabei zyklisch: In <strong>der</strong> Standphase<br />

bewirkt <strong>der</strong> Prothesenantrieb die relativ langsame<br />

Vorwärtsbewegung des Körperschwerpunktes, <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />

Schwungphase die Beschleunigung <strong>der</strong> Prothese auf<br />

hohe W<strong>in</strong>kelgeschw<strong>in</strong>digkeiten. Durch kont<strong>in</strong>uierliche<br />

Nachführung <strong>der</strong> Regelparameter über den Verlauf<br />

dieses Gangzyklus lässt sich dies berücksichtigen<br />

und <strong>in</strong> jedem Betriebspunkt optimales Verhalten <strong>der</strong><br />

Regelung erzielen. Dies entspricht dem <strong>in</strong> [4] vorgestellten<br />

Verfahren des L<strong>in</strong>ear Parameter-Vary<strong>in</strong>g Ga<strong>in</strong><br />

Schedul<strong>in</strong>g beziehungsweise <strong>der</strong> parameterabhängigen<br />

PI-Regelung nach [5].<br />

In <strong>der</strong> <strong>in</strong>dustriellen <strong>Antriebstechnik</strong> verfügen Antriebsregler<br />

über umfangreiche Parametersätze, mit<br />

denen sich <strong>der</strong> Antrieb an die Anwendung anpassen<br />

lässt. Normalerweise erfolgt dies im Rahmen <strong>der</strong> Inbetriebnahme<br />

mittels herstellerspezifischer Software. Um<br />

e<strong>in</strong>e sichere Funktion <strong>in</strong> allen Betriebsbereichen zu<br />

gewährleisten, müssen dabei die Regelparameter konservativ<br />

gewählt werden. Diese können im Betrieb nicht<br />

mehr verän<strong>der</strong>t werden. Ga<strong>in</strong> Schedul<strong>in</strong>g ist <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em<br />

solchen System nicht realisierbar, weshalb hier e<strong>in</strong><br />

strukturell an<strong>der</strong>er Ansatz gewählt wird.<br />

Bei <strong>der</strong> vorgestellten Architektur s<strong>in</strong>d die Parameter<br />

sämtlicher Regelungskomponenten im Betrieb zugänglich<br />

und können im gleichen Takt wie die Vorgabe von<br />

Sollwerten modifiziert werden. Dies erlaubt es, die Regelung<br />

kont<strong>in</strong>uierlich an die Dynamik <strong>der</strong> Anwendung<br />

anzupassen und somit auch bei wechseln<strong>der</strong> Last und<br />

Dämpfung e<strong>in</strong>e hohe Güte <strong>der</strong> Regelung zu erreichen.<br />

Praktisch werden für mehrere Betriebspunkte geeignete<br />

<strong>Regler</strong>parameter ermittelt und Zwischenwerte<br />

<strong>in</strong>terpoliert. Die numerische Steuerung, die zum Beispiel<br />

PC-basiert auf <strong>der</strong>selben Plattform realisiert werden<br />

kann, übergibt diese zyklisch geme<strong>in</strong>sam mit entsprechenden<br />

Sollwerten an die Regelung.<br />

2. POTENZIAL DER <strong>FPGA</strong>-TECHNOLOGIE<br />

Gängige digitale Signalprozessoren (DSP) verfügen über<br />

e<strong>in</strong>e hohe Rechenleistung, allerd<strong>in</strong>gs bed<strong>in</strong>gt die sequentielle<br />

Befehlsabarbeitung Abhängigkeiten zwischen<br />

Software-Modulen. Zur E<strong>in</strong>haltung e<strong>in</strong>es determ<strong>in</strong>istischen<br />

Verhaltens müssen diese berücksichtigt<br />

werden, worunter die Skalierbarkeit leidet. Da e<strong>in</strong> Regelungssystem<br />

für die genannte Aufgabe sich gut <strong>in</strong><br />

parallel arbeitende Funktions-Module mit kont<strong>in</strong>uierlichem<br />

Datendurchsatz unterglie<strong>der</strong>n lässt, bieten anwendungsspezifisch<br />

konfigurierbare Logikbauste<strong>in</strong>e<br />

(<strong>FPGA</strong>) e<strong>in</strong>e s<strong>in</strong>nvolle Plattform zur Umsetzung.<br />

Insbeson<strong>der</strong>e <strong>in</strong> <strong>der</strong> Entwicklung und bei kle<strong>in</strong>en<br />

Stückzahlen stellt die Rekonfigurierbarkeit e<strong>in</strong>en Vorteil<br />

dar, <strong>der</strong> erhöhte Kosten für leistungsfähige <strong>FPGA</strong> kompensiert.<br />

Die entsprechende Beschreibung <strong>der</strong> Logik <strong>in</strong><br />

e<strong>in</strong>er Hardware-Beschreibungssprache, wie zum Beispiel<br />

Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description<br />

Language (VHDL), eignet sich ebenso für die Umsetzung<br />

<strong>in</strong> maskenprogrammierte Logik. Somit lässt sich<br />

die Implementierung des funktionalen Verhaltens von<br />

konkreter Hardware und Stückzahlen entkoppeln. Bei<br />

den <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Antriebstechnik</strong> üblichen Regeltakten, Stromregelung<br />

bis zu 50 kHz, s<strong>in</strong>d mittels Pipel<strong>in</strong><strong>in</strong>g komplexe<br />

Berechnungen möglich, gleichfalls die Verwendung unterschiedlicher<br />

Takte <strong>in</strong>nerhalb e<strong>in</strong>es Systems.<br />

Zur Vere<strong>in</strong>fachung des Entwurfsprozesses existieren<br />

unterschiedliche <strong>Konzept</strong>e zur Strukturierung <strong>der</strong> <strong>FPGA</strong>-<br />

Designs. Verwendet wird die Software QSYS des <strong>FPGA</strong>-<br />

Herstellers Altera, die e<strong>in</strong> System on a Programmable<br />

Chip (SOPC) erzeugt. Dazu werden e<strong>in</strong>zelne Komponenten<br />

aus e<strong>in</strong>er Bibliothek <strong>in</strong>stanziiert und grafisch mite<strong>in</strong>an<strong>der</strong><br />

verschaltet. Die Komponenten <strong>in</strong> <strong>der</strong> Bibliothek<br />

können dabei selbst implementiert und von Dritten<br />

bereitgestellt werden. Die Software übernimmt die Generierung<br />

von Verb<strong>in</strong>dungen und Busleitungen. Voraussetzung<br />

dafür ist die E<strong>in</strong>haltung von spezifizierten<br />

Schnittstellentypen. Dies ermöglicht e<strong>in</strong>en effizienteren<br />

Entwurfsprozess und e<strong>in</strong>e bessere Wie<strong>der</strong>verwertung<br />

bei gleichzeitiger Reduzierung von Fehlerquellen.<br />

Grundsätzlich erzeugen solche grafischen Entwurfswerkzeuge<br />

ihre Ausgabe <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Hardwarebeschreibungssprache,<br />

sodass manuelle E<strong>in</strong>griffe o<strong>der</strong> die Verifikation<br />

des generierten Codes möglich s<strong>in</strong>d.<br />

3. EBENENKONZEPT DER SYSTEMARCHITEKTUR<br />

Das offene Regelungssystem lässt sich logisch <strong>in</strong> Ebenen<br />

unterglie<strong>der</strong>n, die <strong>in</strong> Bild 3 dargestellt s<strong>in</strong>d und<br />

nachfolgend beschrieben werden. Hervorgehoben ist<br />

dabei <strong>der</strong> Bereich, den das SOPC-Design umfasst. Wesentlich<br />

hierbei ist die For<strong>der</strong>ung, möglichst viel Komplexität<br />

<strong>in</strong> den <strong>FPGA</strong> zu verlegen, um die Vorteile von<br />

28<br />

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

6 / 2014


BILD 1: Mögliche Ausgestaltung<br />

<strong>der</strong> Antriebsreglerplattform<br />

Antriebsreglerplattform<br />

<strong>FPGA</strong><br />

Numerische<br />

Steuerung<br />

Lageregler<br />

Geschw<strong>in</strong>digkeitsregler<br />

Stromregler<br />

Leistungselektronik<br />

Feldbus<br />

I/O<br />

PMSM<br />

Soft-<br />

CPU<br />

Filter<br />

User-<br />

IP-Cores<br />

Lagegeber<br />

BILD 3: Ebenen <strong>der</strong> Systemarchitektur<br />

BILD 2: Darstellung <strong>der</strong> Phasen im Gangzyklus<br />

BILD 4: Laboraufbau<br />

des Regelungssystems<br />

Konfigurierbarkeit und freiem Zugriff zu nutzen. Dies<br />

ist e<strong>in</strong> wesentlicher Unterschied im Vergleich zu konventioneller<br />

Hardware, wo e<strong>in</strong>e Än<strong>der</strong>ung von e<strong>in</strong>zelnen<br />

Parametern o<strong>der</strong> Verb<strong>in</strong>dungen e<strong>in</strong> aufwendiges<br />

Re-Design nach sich ziehen kann.<br />

Anwendung:<br />

Die unterste Ebene bilden Motoren und Leistungselektronik,<br />

<strong>in</strong>dustrielle Sp<strong>in</strong>del- o<strong>der</strong> L<strong>in</strong>earachsen, sowie<br />

Sensorik zur Rückführung <strong>der</strong> Zustandsgrößen.<br />

Peripheriemodule:<br />

Die Umsetzung <strong>der</strong> E<strong>in</strong>- und Ausgangssignale <strong>in</strong> digitale<br />

Signale mit <strong>FPGA</strong>-kompatiblen Pegeln und das<br />

Protokoll-Handl<strong>in</strong>g von Feldbussen werden auf austauschbare,<br />

e<strong>in</strong>heitliche Plat<strong>in</strong>en ausgelagert.<br />

SOPC-Komponenten:<br />

Um die Struktur e<strong>in</strong>es Regelungssystems <strong>in</strong>nerhalb<br />

des <strong>FPGA</strong> effizient abbilden zu können, wird dieses<br />

<strong>in</strong> hierarchisch geglie<strong>der</strong>te funktionale Module zerlegt.<br />

E<strong>in</strong> solches Modul kann beispielsweise die Geberauswertung,<br />

e<strong>in</strong> PI-<strong>Regler</strong> o<strong>der</strong> zusammengefasst<br />

e<strong>in</strong>e komplette <strong>Regler</strong>kaskade für e<strong>in</strong>e Achse se<strong>in</strong>.<br />

Dadurch lässt sich diese Struktur direkt auf e<strong>in</strong>zelne,<br />

durch Signalflüsse verkoppelte SOPC-Komponenten<br />

abbilden. Für den Anwen<strong>der</strong> <strong>der</strong> Module ist dabei die<br />

konkrete Implementierung irrelevant, sofern diese<br />

über e<strong>in</strong>e e<strong>in</strong>heitliche Schnittstelle und e<strong>in</strong>en def<strong>in</strong>ierten<br />

Satz Parameter verfügt. Die grundlegende Verkopplung<br />

<strong>der</strong> Module wird bei <strong>der</strong> Erstellung des<br />

SOPC-Designs festgelegt, Signalfluss und Verhalten<br />

<strong>in</strong>nerhalb <strong>der</strong> Komponenten s<strong>in</strong>d noch zur Laufzeit<br />

k o n fi g u r i e r b a r.<br />

Systembus:<br />

Zum Zugriff auf die Parameterregister und zum Austausch<br />

von Signalen wird e<strong>in</strong> herstellerseitig standardisierter<br />

Systembus (Altera Avalon) verwendet. Dieser<br />

ist als Master-Slave-Protokoll def<strong>in</strong>iert und ermöglicht<br />

das E<strong>in</strong>blenden <strong>der</strong> Daten <strong>in</strong> Speicherbereiche übergeordneter<br />

Systeme mittels Memory Mapp<strong>in</strong>g. Die ent-<br />

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

6 / 2014<br />

29


HAUPTBEITRAG<br />

sprechende Logik wird automatisiert durch die Entwurfswerkzeuge<br />

erzeugt.<br />

CPU und Software:<br />

Komplexere, aber weniger zeitkritische Aufgaben werden<br />

durch e<strong>in</strong>e CPU abgearbeitet. Neben <strong>der</strong> Überwachung<br />

o<strong>der</strong> Ablaufsteuerung können Software-Module<br />

von Dritten e<strong>in</strong>gebunden werden, beispielsweise e<strong>in</strong>e<br />

PC-basierte numerische Steuerung wie [6]. Dabei kann<br />

die CPU entwe<strong>der</strong> als SOPC-Komponente (Altera NIOS<br />

II) o<strong>der</strong> <strong>in</strong> konventioneller Form mit Kopplung über<br />

e<strong>in</strong>en externen Bus ausgeführt se<strong>in</strong>.<br />

4. PRAKTISCHE UMSETZUNG<br />

Der Entwurfsprozess e<strong>in</strong>er Plattform entsprechend dem<br />

vorgestellten <strong>Konzept</strong> glie<strong>der</strong>t sich <strong>in</strong> drei Teilaspekte:<br />

Der Entwurf <strong>der</strong> Hardwareplattform mit Peripherieanb<strong>in</strong>dung,<br />

die Spezifizierung und Implementierung <strong>der</strong> SOPC-<br />

Komponenten sowie die Integration des SOPC-Systems.<br />

4.1 Hardwareplattform<br />

Da die Architektur des Regelungssystems unabhängig<br />

von <strong>der</strong> verwendeten Hardware spezifiziert ist, kann<br />

e<strong>in</strong>e für die jeweilige Anwendung s<strong>in</strong>nvolle Plattform<br />

verwendet werden. Im Fall des Prothesenantriebs wurde<br />

dazu <strong>der</strong> S<strong>in</strong>gle-Board-Computer (SBC) Kontron<br />

MSMST <strong>der</strong> Bauform PCIe/104 gewählt. Neben e<strong>in</strong>em<br />

Intel Atom E6x5C ist auf dem Prozessormodul e<strong>in</strong> <strong>FPGA</strong><br />

vom Typ Altera Arria II GX <strong>in</strong>tegriert. Den Datenaustausch<br />

ermöglicht e<strong>in</strong>e on-Chip PCI-Express-Verb<strong>in</strong>dung<br />

zwischen CPU und <strong>FPGA</strong>. Diese enge Kopplung<br />

reduziert den Aufwand an Bauteilen und ist somit im<br />

H<strong>in</strong>blick auf den E<strong>in</strong>satz <strong>in</strong> Embedded-Systemen s<strong>in</strong>nvoll.<br />

Zur Implementierung von Funktionen kann die<br />

jeweils optimale Plattform (x86/x64-CPU o<strong>der</strong> <strong>FPGA</strong>)<br />

gewählt werden, was den Entwurfsprozess vere<strong>in</strong>facht<br />

und die Leistungsfähigkeit erhöht.<br />

Bild 4 zeigt e<strong>in</strong>en universellen Laboraufbau des Regelungssystems<br />

mit MSMST-Plattform und drei <strong>der</strong> vorgestellten<br />

Peripheriemodule. In frühen Entwicklungsphasen<br />

ist häufig ausreichend Reserve an Schnittstellen<br />

und Rechenleistung wichtiger als das Baumaß. Für die<br />

Regelung des Prothesenantriebs kann die Anzahl <strong>der</strong><br />

Schnittstellen später noch deutlich reduziert und <strong>der</strong><br />

Raumbedarf durch geeignete Integration m<strong>in</strong>imiert werden.<br />

Für die ersten Untersuchungen und Messungen am<br />

Prototyp sowie die Implementierung von Algorithmen<br />

zur Bewegungssteuerung ist dabei die Verfügbarkeit<br />

e<strong>in</strong>er kompletten PC-Plattform von Vorteil.<br />

Übliche PC-Peripherie, wie Arbeitsspeicher, BIOS<br />

o<strong>der</strong> Festplatten- und Displaycontroller, s<strong>in</strong>d bereits auf<br />

dem SBC vorhanden. Zur Anb<strong>in</strong>dung <strong>der</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Antriebstechnik</strong><br />

gebräuchlichen Schnittstellen s<strong>in</strong>d die<br />

entsprechenden Peripheriemodule über Wannenstecker<br />

mit den frei verwendbaren Ports des <strong>FPGA</strong> verbunden.<br />

Die nachfolgend genannten <strong>in</strong>dustrieüblichen Schnittstellen<br />

s<strong>in</strong>d <strong>der</strong>zeit im E<strong>in</strong>satz, die Ergänzung um weitere<br />

Medien und Protokolle ist vorgesehen.<br />

TTL-I/O-Modul: Bidirektionale E<strong>in</strong>- und Ausgänge<br />

mit TTL-Logikpegel für digitale Signale<br />

ADC-Modul: Differenzielle analoge E<strong>in</strong>gänge mit e<strong>in</strong>stellbarer<br />

Verstärkung. Die Umsetzung mittels Delta-<br />

Sigma-Modulation erlaubt es, Bandbreite und Genauigkeit<br />

anwendungsspezifisch zu parametrieren.<br />

DAC-Modul: Analogausgänge mit niedriger Impedanz<br />

und unterschiedlichen Pegeln, ebenfalls basierend<br />

auf Delta-Sigma-Modulation<br />

EnDat-Modul: Schnittstelle für Lagegeber mit dem<br />

Heidenha<strong>in</strong> EnDat-2.2-Protokoll<br />

EtherCAT-Modul: Anb<strong>in</strong>dung an numerische Steuerungen<br />

über CANopen-Datentypen mittels des<br />

Kommunikationsframeworks aus [7]<br />

4.2 Entwurf <strong>der</strong> SOPC-Komponenten<br />

Innerhalb des SOPC kommen verschiedenartige Komponenten<br />

zum E<strong>in</strong>satz. E<strong>in</strong>ige entsprechen den Primitiven<br />

<strong>der</strong> Regelung (zum Beispiel PI-<strong>Regler</strong> o<strong>der</strong> Differenzierer).<br />

An<strong>der</strong>e bilden das Gegenstück zu den Peripheriemodulen,<br />

beispielsweise e<strong>in</strong> Delta-Sigma-Modulator<br />

o<strong>der</strong> e<strong>in</strong>e State Mach<strong>in</strong>e für Kommunikationsprotokolle.<br />

Realisiert wurden unter an<strong>der</strong>em Filterung, Interpolation,<br />

Istwert-Erfassung, Regelung, Takterzeugung, Modulation<br />

<strong>der</strong> Ausgangsgrößen, Protokollhandl<strong>in</strong>g und Ansteuerung<br />

von Sicherheitslogik.<br />

Die Verwendung von eigenen o<strong>der</strong> durch Dritte bereitgestellten<br />

Intellectual Property Cores (IP-Cores) erleichtert<br />

die Weitergabe und Wie<strong>der</strong>verwendung im Entwurfsprozess.<br />

Entsprechende Generatoren werden <strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e<br />

für digitale Filter von <strong>FPGA</strong>-Herstellern angeboten.<br />

Deren Nachteil ist jedoch, dass mehrere Parameter bereits<br />

bei <strong>der</strong> Erzeugung des <strong>FPGA</strong>-Designs festgelegt<br />

werden müssen. Um e<strong>in</strong>e größtmögliche Freiheit für<br />

Parameter und Struktur zu erhalten, wurden die Komponenten<br />

<strong>in</strong> VHDL implementiert. Konstanten (Generics)<br />

legen dabei nur maximale Werte bezüglich <strong>der</strong> Datenbreite<br />

o<strong>der</strong> Ordnung fest. Der tatsächlich verwendete<br />

Wert ist über Steuerregister parametrierbar und unmittelbar<br />

wirksam. Jede Komponente verfügt dazu über e<strong>in</strong><br />

Kommunikationssubmodul, welches die Anb<strong>in</strong>dung an<br />

den Systembus ermöglicht. E<strong>in</strong> Avalon-MM-Slave stellt<br />

die notwendigen Register als E<strong>in</strong>gangs- und Ausgangssignale<br />

zur Verfügung und führt die Transaktionen beim<br />

Lese- und Schreibzugriff über den Bus durch.<br />

Bestandteil des Komponentenentwurfs ist die simulative<br />

Überprüfung von Funktion und Robustheit. Mittels<br />

geeigneter Testfälle wird dabei verifiziert, ob die gefor<strong>der</strong>te<br />

Funktion erfüllt wird. Die Modularisierung erleichtert<br />

die möglichst umfassende Abdeckung mit Testvektoren.<br />

Im Vergleich zum konventionellen Hardwaredesign<br />

ist dabei <strong>der</strong> Nachweis des spezifikationskonformen<br />

Verhaltens deutlich e<strong>in</strong>facher und verlässlicher möglich.<br />

30<br />

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

6 / 2014


Grundsätzlich kann das Verhalten sämtlicher Komponenten<br />

auf verschiedenen Ebenen verifiziert werden.<br />

Für e<strong>in</strong>zelne VHDL-Module kommt im Lauf <strong>der</strong> Implementierung<br />

die Simulation, beispielsweise mittels Modelsim,<br />

zum E<strong>in</strong>satz. Zur Laufzeit des <strong>FPGA</strong>-Designs<br />

lassen sich <strong>in</strong>terne Signalverläufe mittels e<strong>in</strong>es e<strong>in</strong>kompilierten<br />

Chip-Scopes aufzeichnen und auf unterschiedlicher<br />

Abstraktionsebene betrachten. Dadurch<br />

ist die Interaktion mit <strong>der</strong> weiteren Hardware <strong>der</strong> Anwendung<br />

darstellbar. Auf Ebene <strong>der</strong> Regelungsmodule<br />

erlauben s<strong>in</strong>nvoll gewählte Parametersätze den Zugriff<br />

von außen, auch über e<strong>in</strong>en Feldbus, auf die <strong>in</strong>ternen<br />

Signale zur Überwachung o<strong>der</strong> Fehlersuche.<br />

4.3 Integration <strong>in</strong> das <strong>FPGA</strong>-Design<br />

Zur Umsetzung e<strong>in</strong>es konkreten Regelungssystems<br />

wird dessen Struktur mit den entsprechenden SOPC-<br />

Komponenten nachgebildet. Deren Anordnung und<br />

Verkopplung, die hierarchisch strukturiert se<strong>in</strong> kann,<br />

ergibt sich aus e<strong>in</strong>em Signalflussplan, beispielhaft dargestellt<br />

<strong>in</strong> Bild 5. E<strong>in</strong>e Konfiguration legt die Verschaltung<br />

und damit den Signalfluss zwischen den Komponenten<br />

direkt <strong>in</strong> <strong>der</strong> Hardware fest.<br />

Da die entworfenen Komponenten sich an den Vorgaben<br />

von Altera orientieren, können diese grafisch<br />

<strong>in</strong>stanziiert und verknüpft werden. Nach Anlegen e<strong>in</strong>er<br />

neuen SOPC-Komponente werden <strong>der</strong>en E<strong>in</strong>- und Ausgangssignale<br />

den standardisierten Schnittstellen zugewiesen,<br />

e<strong>in</strong>e Dokumentation h<strong>in</strong>zugefügt und wie<strong>der</strong>verwendbar<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> Bibliothek abgelegt.<br />

Bei <strong>der</strong> Erzeugung e<strong>in</strong>es SOPC-Designs mit Altera<br />

QSYS s<strong>in</strong>d die verfügbaren Komponenten <strong>in</strong> Kategorien<br />

unterteilt und werden durch H<strong>in</strong>zufügen zu e<strong>in</strong>em Design<br />

<strong>in</strong>stanziiert. Die Signale werden als offene Verb<strong>in</strong><strong>der</strong><br />

angezeigt und lassen sich durch Auswählen mite<strong>in</strong>an<strong>der</strong><br />

verknüpfen. Dies betrifft zuerst Takt, Reset und<br />

Systembus, welche an alle Komponenten verteilt werden.<br />

Die e<strong>in</strong>zelnen Regelgrößen s<strong>in</strong>d unidirektionale<br />

Signale und werden entsprechend dem Signalflussplan<br />

verbunden, zur Veranschaulichung ausschnittsweise<br />

dargestellt <strong>in</strong> Bild 6.<br />

Das SOPC wird abschließend <strong>in</strong> e<strong>in</strong> Top-Level-Design<br />

<strong>in</strong>tegriert, <strong>in</strong> dem <strong>der</strong> verwendete <strong>FPGA</strong> und umgebungsspezifische<br />

Rahmenbed<strong>in</strong>gungen (Constra<strong>in</strong>ts)<br />

festgelegt, sowie den Signalen physikalische P<strong>in</strong>s zugeordnet<br />

werden.<br />

4.4 E<strong>in</strong>schränkungen <strong>der</strong> Werkzeuge<br />

Grundsätzlich ist die Entwicklung von funktionalen<br />

Komponenten auf <strong>der</strong> Ebene programmierbarer Logik<br />

im Vergleich zu re<strong>in</strong>er Software mit e<strong>in</strong>igen Nachteilen<br />

verbunden. Die notwendige Zeit zur Erzeugung <strong>der</strong><br />

BILD 5: Signalfluss <strong>der</strong> Regelung im SOPC-Design<br />

BILD 6:<br />

Ausschnitt aus<br />

<strong>der</strong> grafischen<br />

Verknüpfung <strong>in</strong><br />

Altera QSYS<br />

BILD 7:<br />

Prototyp <strong>der</strong><br />

angetriebenen<br />

Prothese<br />

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

6 / 2014<br />

31


HAUPTBEITRAG<br />

<strong>FPGA</strong>-Konfiguration liegt immer noch um Größenordnungen<br />

über Compile-Zeiten von Software-Projekten<br />

mit vergleichbarer Komplexität. Weiterh<strong>in</strong> ist die Umsetzung<br />

von Struktur und Datenfluss von komplexen<br />

SOPC-Systemen <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Antriebstechnik</strong> aus Sicht <strong>der</strong><br />

Autoren verbesserbar, da die betrachteten Werkzeuge<br />

noch Defizite <strong>in</strong> ihrer Funktionsweise aufweisen. Beispielsweise<br />

s<strong>in</strong>ken bei wachsen<strong>der</strong> Komplexität sowie<br />

bei <strong>der</strong> Verwendung eigener Schnittstellentypen Übersichtlichkeit<br />

und Handhabbarkeit des Projekts.<br />

E<strong>in</strong>e weitere E<strong>in</strong>schränkung ist die starke Herstellerabhängigkeit<br />

<strong>in</strong> den verwendeten Entwicklungsumgebungen.<br />

Während e<strong>in</strong> herstellerübergreifen<strong>der</strong> Austausch<br />

e<strong>in</strong>zelner IP-Cores relativ gut machbar ist, sieht<br />

dies auf Ebene <strong>der</strong> SOPC-Systeme deutlich schwieriger<br />

aus. Im Gegensatz zu e<strong>in</strong>em re<strong>in</strong> auf die Hardwarebeschreibungssprachen<br />

VHDL o<strong>der</strong> Verilog beschränkten<br />

Design werden mit <strong>der</strong> Wahl <strong>der</strong> <strong>FPGA</strong>-Plattform die<br />

möglichen Entwicklungswerkzeuge festgelegt.<br />

weis <strong>der</strong> Architektur erbr<strong>in</strong>gen. Bild 7 zeigt das zugehörige<br />

Funktionsmuster, mit dem erste erfolgreiche<br />

Versuche <strong>in</strong>nerhalb e<strong>in</strong>es Ganglabors bereits vorgenommen<br />

wurden. Das System ermöglicht die effiziente<br />

Weiterentwicklung situationsangepasster Gangprofile<br />

und damit die Umsetzung realitätsnaher Bewegungsmuster.<br />

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Verwendung<br />

von <strong>FPGA</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Antriebstechnik</strong> grundsätzlich<br />

Vorteile bietet. Vergleichbare Hardware-Plattformen<br />

s<strong>in</strong>d verfügbar, beispielsweise <strong>in</strong> Form von [8].<br />

Die Verwendung standardisierter und modularer Architekturen<br />

ist entscheidend für e<strong>in</strong>e effiziente Implementierung<br />

und Anwendung. Dabei verschwimmen die<br />

Grenzen zwischen Software und Hardware.<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

17.09.2013<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

FAZIT<br />

Die umfangreiche Parametrierbarkeit und schnelle<br />

Rekonfigurierbarkeit des <strong>FPGA</strong> erleichtern das Prototyp<strong>in</strong>g<br />

<strong>in</strong> Bereichen, wo bisher e<strong>in</strong> teures Re-Design <strong>der</strong><br />

Hardware notwendig war. Dies ist beson<strong>der</strong>s für Produkte<br />

<strong>in</strong> kle<strong>in</strong>en Stückzahlen attraktiv. Dabei stellt die<br />

offene Architektur die Austauschbarkeit <strong>der</strong> Komponenten<br />

sicher, auch herstellerübergreifend.<br />

Bei <strong>der</strong> Umsetzung <strong>der</strong> Regelungsplattform für die<br />

angetriebene Prothese ließ sich e<strong>in</strong> Funktionsnach-<br />

DANKSAGUNG<br />

Die Arbeit im Rahmen des ZIM-Kooperationsprojekts<br />

Entwicklung des Prototyps e<strong>in</strong>es aktiven<br />

Antriebssystems für Prothesen und Orthesen wurde<br />

unterstützt durch die Arbeitsgeme<strong>in</strong>schaft<br />

<strong>in</strong>dustrieller Forschungsvere<strong>in</strong>igungen Otto von<br />

Guericke e.V (AiF), geför<strong>der</strong>t vom Bundesm<strong>in</strong>isterium<br />

für Wirtschaft und Technologie aufgrund e<strong>in</strong>es<br />

Beschlusses des Deutschen Bundestages.<br />

AUTOREN<br />

Dipl.-Ing. PETER ZAHN<br />

(geb. 1985) absolvierte e<strong>in</strong><br />

Studium an <strong>der</strong> Universität<br />

Stuttgart im Fach<br />

Automatisierungstechnik<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> Produktion. Seit<br />

2012 ist er wissenschaftlicher<br />

Mitarbeiter am<br />

ISW. Schwerpunkt se<strong>in</strong>er<br />

Tätigkeit ist die Antriebs- und Regelungstechnik,<br />

<strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e Architekturen für<br />

<strong>FPGA</strong>-basierte Systeme.<br />

Institut für Steuerungstechnik <strong>der</strong> Werkzeugmasch<strong>in</strong>en<br />

und Fertigungs e<strong>in</strong>richtungen (ISW)<br />

Universität Stuttgart,<br />

Seidenstraße 36, D-70174 Stuttgart,<br />

Tel. +49 (0) 711 68 58 24 14,<br />

E-Mail: peter.zahn@isw.uni-stuttgart.de<br />

Dipl.-Ing. IGOR LAPTEV<br />

(geb. 1978) studierte an <strong>der</strong><br />

Staatlichen Universität <strong>der</strong><br />

Stadt Pawlodar, Kasachstan,<br />

das Fach Elektroantrieb und<br />

Automatisierung. Danach<br />

folgte e<strong>in</strong> Studium an <strong>der</strong><br />

Universität Stuttgart im Fach<br />

Automatisierungstechnik <strong>in</strong><br />

<strong>der</strong> Produktion. Seit 2007 ist er wissenschaftlicher<br />

Mitarbeiter am ISW mit den Schwerpunkten<br />

Antriebs-, Regelungstechnik, <strong>FPGA</strong>-Technik und<br />

Leistungselektronik.<br />

Institut für Steuerungstechnik <strong>der</strong> Werkzeugmasch<strong>in</strong>en<br />

und Fertigungs e<strong>in</strong>richtungen (ISW)<br />

Universität Stuttgart,<br />

Seidenstraße 36, D-70174 Stuttgart,<br />

Tel. +49 (0) 711 68 58 45 11,<br />

E-Mail: igor.laptev@isw.uni-stuttgart.de<br />

32<br />

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

6 / 2014


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REFERENZEN<br />

[1] Kramer, C.: Offene Antriebsreglerplattform.<br />

Heimsheim, Jost-Jetter Verlag 2011<br />

[2] Bardakcioglu, A., Hafla, A., Laptev, I., Verl, A.:<br />

Offene Steuerungs- und Antriebsplattform für<br />

Werkzeugmasch<strong>in</strong>en und Prozesse - Hybride<br />

Technologien <strong>in</strong> <strong>der</strong> Produktion. In: Fortschritt-<br />

Berichte VDI Reihe 2 Nr. 675, S. 94-115.<br />

VDI-Verlag 2010<br />

[3] Perry, J.: Ganganalyse, Norm und Pathologie<br />

des Gehens. Urban und Fischer 2003<br />

[4] Leith, D. J., Leithead, W.: Survey of ga<strong>in</strong>schedul<strong>in</strong>g<br />

analysis and design. International<br />

Journal of Control 73 (11), S. 1001-1025, 2000<br />

[5] Sommer, S.: Selbste<strong>in</strong>stellen<strong>der</strong> PI-<strong>Regler</strong><br />

für LPV-Systeme. at - Automatisierungs -<br />

technik 49 (10), S. 462-469, 2001<br />

[6] Industrielle Steuerungstechnik GmbH:<br />

Kernel - Softwarekern für CNC, Robotik<br />

und Motion Control,<br />

http://www.isg-stuttgart.de/kernel.html<br />

[7] Simon, A., Frick, F., Verl, A.: Framework zur<br />

Systemgestaltung von <strong>FPGA</strong>-basierten<br />

Automatisierungsgeräten. Wt Werkstattstechnik<br />

onl<strong>in</strong>e Jahrgang 101 Heft 5, S. 378-383, 2011<br />

[8 ] Krah, J. O., Höltgen, M., Richter, R.:<br />

<strong>FPGA</strong>-basierte Motorsteuerung mit Delta-<br />

Sigma-Strommessung. Elektronik 2013 (6),<br />

S. 18-23, 2013<br />

Die Referenzklasse für die<br />

Automatisierungstechnik<br />

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automatisierungstechnischen Praxis nehmen außerdem<br />

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Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.<br />

mult. ALEXANDER VERL<br />

(geb. 1966) studierte<br />

Elektrotechnik <strong>in</strong> Erlangen-Nürnberg,<br />

Promotion<br />

1997 am DLR <strong>in</strong> Oberpfaffenhofen.<br />

Seit 2005<br />

Institutsleitung am ISW,<br />

seit 2006 zusätzlich am<br />

Fraunhofer-IPA. Die Schwerpunkte se<strong>in</strong>er<br />

Forschung bilden Mechanik und Steuerung<br />

von Werkzeugmasch<strong>in</strong>en, Simulationstechnik<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> Fertigungstechnik sowie die Robotik.<br />

Institut für Steuerungstechnik <strong>der</strong> Werkzeugmasch<strong>in</strong>en<br />

und Fertigungs e<strong>in</strong>richtungen (ISW)<br />

Universität Stuttgart,<br />

Seidenstraße 36, D-70174 Stuttgart,<br />

Tel. +49 (0) 711 68 58 24 22,<br />

E-Mail: alexan<strong>der</strong>.verl@isw.uni-stuttgart.de<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> ersche<strong>in</strong>t <strong>in</strong> <strong>der</strong> DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München


HAUPTBEITRAG<br />

Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Effizienz<br />

automatisch messen – Teil 2<br />

Explorative Untersuchung von Methode und Metriken<br />

Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g ist e<strong>in</strong> wesentlicher Kostenfaktor <strong>in</strong> <strong>der</strong> Automatisierung. Daher suchen<br />

Industrie und Akademia geme<strong>in</strong>sam nach Methoden, um die Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Effizienz<br />

zu erhöhen. Lei<strong>der</strong> ist es nicht möglich, solche Methoden objektiv, systematisch,<br />

reproduzierbar und vergleichbar zu bewerten, weil sich Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Effizienz bisher<br />

e<strong>in</strong>er systematischen Messung entzieht. Teil 1 dieses Beitrags [1] schlägt e<strong>in</strong>en Ansatz<br />

zur automatischen Messung und Visualisierung <strong>der</strong> Effizienz von Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Methoden<br />

vor. Der hier vorliegende Teil 2 widmet sich <strong>der</strong> experimentellen Überprüfung<br />

<strong>der</strong> Messmethodik und <strong>der</strong> <strong>in</strong> Teil 1 vorgestellten Thesen.<br />

SCHLAGWÖRTER Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g / Effizienz / Methoden / <strong>Konzept</strong>e / Effizienzmessung<br />

Automatically Measur<strong>in</strong>g Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g Efficiency – Part 2 –<br />

Def<strong>in</strong>ition, Registration and Visualisation<br />

Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g is a key cost driver <strong>in</strong> automation. Therefore, both manufacturers and<br />

researchers are look<strong>in</strong>g for ways to improve eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g efficiency. Unfortunately,<br />

without be<strong>in</strong>g able to measure eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g efficiency it is not possible to exam<strong>in</strong>e<br />

new methods <strong>in</strong> an objective, systematic, reproducible or comparable way. Part 1 of<br />

this paper [1] proposes a concept to automatically measure and visualize eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g<br />

efficiency. Part 2 is dedicated to the experimental exam<strong>in</strong>ation of this concept and<br />

the correspond<strong>in</strong>g theses.<br />

KEYWORDS eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g / efficiency / methods / concepts / efficiency measurement<br />

34<br />

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

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RAINER DRATH, CHRISTIAN MESSINGER, BEN SCHRÖTER, NUO LI,<br />

GEORG GUTERMUTH, ABB-Forschungszentrum, Ladenburg<br />

E<strong>in</strong> Ansatz zur Messung und Visualisierung <strong>der</strong><br />

Effizienz von werkzeugbezogenen Methoden<br />

<strong>der</strong> Automatisierungsplanung wurde <strong>in</strong> Teil 1<br />

dieses Beitrags vorgestellt [1]. In Teil 2 widmen<br />

sich die Autoren <strong>der</strong> experimentellen Überprüfung<br />

<strong>der</strong> Messmethodik und <strong>der</strong> <strong>in</strong> Teil 1 vorgestellten<br />

Thesen. Dazu führten fünf Versuchspersonen im Labor<br />

das Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g e<strong>in</strong>es Benchmark-Projekts durch, während<br />

im H<strong>in</strong>tergrund die Messung abläuft. Ziel dieses<br />

Experimentes ist nicht die Bewertung <strong>der</strong> untersuchten<br />

Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Methoden; es wird vielmehr die Aussagekraft<br />

und Belastbarkeit <strong>der</strong> vorgestellten Messmethode<br />

exploriert. Die Zahl <strong>der</strong> Kandidaten lässt aufgrund <strong>der</strong><br />

ger<strong>in</strong>gen Stichprobengröße zwar ke<strong>in</strong>e allgeme<strong>in</strong>gültige<br />

Bewertung <strong>der</strong> als Beispiel gewählten Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-<br />

Methoden zu, aber sie demonstriert typische Widrigkeiten<br />

und Fehlerquellen bei <strong>der</strong> Messung.<br />

1. TESTAUFBAU UND EXPERIMENT<br />

Die Evaluierung <strong>der</strong> vorgeschlagenen Methode zur Messung<br />

von Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Effizienz erfolgt exemplarisch anhand<br />

e<strong>in</strong>es konkreten Labor-Planungswerkzeugs für Automatisierungssoftware.<br />

Im S<strong>in</strong>ne des Experimentes verwenden<br />

die Verfasser des Beitrags e<strong>in</strong> <strong>in</strong>ternes, proprietäres<br />

und experimentelles Planungswerkzeug zur<br />

Programmierung von Automatisierungsgeräten, siehe<br />

Bild 1. Die Effizienzmessung ist jedoch ke<strong>in</strong>eswegs an das<br />

verwendete Werkzeug gebunden. Die Methode ist auf beliebige<br />

Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Artefakte und Werkzeuge übertragbar.<br />

Das vorgestellte Vorgehen lässt sich une<strong>in</strong>geschränkt auf<br />

Prozesse mit mehreren Planungswerkzeugen anwenden.<br />

Das Beispielwerkzeug deckt vier typische Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Aktivitäten<br />

ab: Logikprogrammierung mit Funktionsblockdiagrammen<br />

(FBD) und Schrittketten (SFC),<br />

die Konfiguration von Bedienoberflächen, E/A-Kommunikation<br />

und Test. Diese Aktivitäten umfassen nur e<strong>in</strong>en<br />

Teil <strong>der</strong> tatsächlichen Aktivitäten e<strong>in</strong>es Automatisierungsprojektes,<br />

berühren jedoch die wesentlichen<br />

Kernbereiche des softwareunterstützten Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>gs<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> gesamten Wertschöpfungskette. Zur Evaluierung<br />

wurden die im Teil 1 vorgeschlagenen Messfunktionen<br />

direkt <strong>in</strong> das Werkzeug e<strong>in</strong>gebettet. Dies ermöglicht es,<br />

alle relevanten Interaktionen des Ingenieurs mit dem<br />

Planungswerkzeug strukturiert zu erfassen.<br />

1.1 Festlegung <strong>der</strong> Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Artefakte<br />

Für die Messung von Effizienz müssen die relevanten<br />

Artefakt-Typen festgelegt werden. Diese Festlegung ist<br />

aufgaben- und werkzeugspezifisch und macht die Messmethodik<br />

auf beliebige Werkzeuge anpassbar. Für die<br />

Domäne <strong>der</strong> Automatisierungssoftware im Bereich<br />

Steuerungen/Regelungen lassen sich herstellerübergreifend<br />

(ohne Anspruch auf Vollständigkeit) folgende<br />

Artefakte festlegen:<br />

Aktoren<br />

Sensoren<br />

Controller<br />

Signale<br />

lokale und globale Variablen<br />

Funktionsbauste<strong>in</strong>diagramme (FBD)<br />

Ablaufdiagramme (SFC)<br />

Grafikelemente für die Bedienoberfläche<br />

1.2 Implementierung <strong>der</strong> Datenanalysefunktionen<br />

Zur Messung <strong>der</strong> Effizienz werden <strong>in</strong> regelmäßigen<br />

Zeitabständen die Projektkomplexität (die momentane<br />

Zahl <strong>der</strong> konkreten Artefakte im konkreten Planungswerkzeug)<br />

und die jeweils damit verbrachte Zeit ermittelt.<br />

Zur Datenanalyse ist neben <strong>der</strong> Messfunktion die<br />

Berechnung und Darstellung <strong>der</strong> Ergebnisse nötig.<br />

Die Messfunktion wurde von den Autoren direkt <strong>in</strong><br />

das Planungswerkzeug e<strong>in</strong>gebettet. Die Messergebnisse<br />

werden <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er CSV-Datei abgelegt. Die Berechnung<br />

und Darstellung <strong>der</strong> Ergebnisse erfolgt <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er separaten<br />

Software außerhalb des Planungswerkzeuges. Im<br />

vorliegenden Fall wird e<strong>in</strong> vordef<strong>in</strong>iertes MS-Excel-<br />

Workbook verwendet. Es liest die gemessenen Daten<br />

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HAUPTBEITRAG<br />

aus <strong>der</strong> CSV-Datei e<strong>in</strong> und erzeugt daraus Diagramme<br />

sowie Statistiken wie etwa <strong>in</strong> Bild 2 (siehe rechte Seite).<br />

Die Trennung zwischen <strong>der</strong> Messung und <strong>der</strong> Auswertung<br />

mit Hilfe e<strong>in</strong>er Datei-Übergabeschnittstelle<br />

ermöglicht es, die Auswertesoftware unabhängig vom<br />

Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Werkzeug wie<strong>der</strong>zuverwenden. Da das<br />

E<strong>in</strong>lesen und Komb<strong>in</strong>ieren mehrerer CSV-Dateien aus<br />

unterschiedlichen Werkzeugen möglich ist, bildet diese<br />

modulare Architektur die Grundlage für e<strong>in</strong>e werkzeugübergreifende<br />

Effizienzmessung.<br />

1.3 Das Benchmark-Projekt<br />

Um Vergleichbarkeit bei <strong>der</strong> Effizienzmessung zu erlangen,<br />

ist e<strong>in</strong> Benchmark-Projekt erfor<strong>der</strong>lich. Exemplarisch<br />

wurde hierzu e<strong>in</strong> Simple Air Soft Feed<strong>in</strong>g<br />

System (SASF-System) spezifiziert, e<strong>in</strong>e Anlage zur<br />

Gasverflüssigung. Dieses Benchmark-Projekt ist nicht<br />

allgeme<strong>in</strong>gültig, reicht aber für die Evaluierung <strong>der</strong><br />

Messmethodik aus. Fünf Kandidaten planen die Automatisierungssoftware<br />

und erhalten hierfür als Startpunkt<br />

e<strong>in</strong>e Anfor<strong>der</strong>ungsspezifikation. Um die Auswirkung<br />

des Faktors Mensch zu beleuchten, wird das Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g<br />

dreimal ausgeführt.<br />

Bild 3 (siehe rechte Seite) zeigt das R&I-Fließbild des<br />

SASF-Systems. Es besteht aus e<strong>in</strong>em Tank, drei Ventilen,<br />

sieben Sensoren und e<strong>in</strong>em Druckschalter. Der Operateur<br />

startet das System per Druckschalter. Sobald <strong>der</strong> Prozess<br />

anläuft, soll sich das Ventil V103 öffnen. Dann, nach 2<br />

Sekunden, öffnet sich das Verflüssigungsventil V102.<br />

Sobald <strong>der</strong> Druck im Tank P101 80 % des Maximaldruckes<br />

erreicht hat, soll das Überdruckventil V101 geöffnet<br />

werden, bis <strong>der</strong> Druck auf 60 % abfällt. Zusätzlich<br />

sollte das Überdruckventil V101 nicht geöffnet werden,<br />

wenn das Zufuhrventil V103 geschlossen ist. Weiterh<strong>in</strong><br />

sollte das Verflüssigungsventil V102 nicht geöffnet werden,<br />

während <strong>der</strong> Druckschalter B101 gedrückt wird.<br />

Neben <strong>der</strong> beschriebenen Steuerungslogik sollen die<br />

Kandidaten e<strong>in</strong>e Bedienoberfläche des SASF-Systems<br />

erstellen. Das HMI soll dabei den Prozess <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er e<strong>in</strong>fachen<br />

Grafik zeigen, die Ventile sollten ihre Farbe än<strong>der</strong>n,<br />

wenn sie offen o<strong>der</strong> geschlossen s<strong>in</strong>d (offen =<br />

blau, geschlossen = schwarz), und <strong>der</strong> Druck P101 soll<br />

angezeigt werden.<br />

Da drei ähnliche Ventile im SASF-System verwendet<br />

werden, wurden die <strong>in</strong> Bild 4 gezeigten Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

an die Ventilsteuerung def<strong>in</strong>iert. Diese sollen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er<br />

Standardventilsteuerung umgesetzt werden.<br />

Neben diesen Anfor<strong>der</strong>ungsbeschreibungen umfasst<br />

das Benchmark-Projekt vorbereitete Bibliotheken, die<br />

von e<strong>in</strong>igen Kandidaten gemäß Versuchsplanung <strong>in</strong><br />

Tabelle 1 verwendet werden sollen. Diese Bibliotheken<br />

s<strong>in</strong>d Teil <strong>der</strong> untersuchten Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Methode. Es<br />

soll untersucht werden, ob sich die Effizienz durch<br />

Wie<strong>der</strong>verwendung von Bibliothekselementen steigern<br />

lässt. Beide Bibliotheken enthalten e<strong>in</strong>e Implementierung<br />

des Ventilblockes gemäß Bild 4. Bibliothek 1 wurde<br />

gezielt mit Fehlern versehen, sodass e<strong>in</strong>e ger<strong>in</strong>gere<br />

Effizienz erwartet wird.<br />

2. AUSFÜHRUNG UND EVALUIERUNG DER MESSUNGEN<br />

Der im Beitrag vorgeschlagene Ansatz zur Bewertung von<br />

Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Methoden betritt Neuland, weil die Bewertung<br />

auf Basis von Messungen erfolgt. Das Experiment lieferte<br />

e<strong>in</strong>e Fülle an Messdaten. Die Autoren merken an, dass das<br />

Experiment unter teilweise widrigen Bed<strong>in</strong>gungen stattfand,<br />

aber gerade diese Widrigkeiten halfen, die Messung<br />

besser kennenzulernen und auf relevante Fragen zu stoßen.<br />

Das Messergebnis selbst spielt für die Bewertung <strong>der</strong> Messmethode<br />

daher nur e<strong>in</strong>e untergeordnete Rolle.<br />

2.1 Analysestrategie<br />

Die Auswertung <strong>der</strong> Messergebnisse erfor<strong>der</strong>t e<strong>in</strong>e Analysestrategie.<br />

Nach e<strong>in</strong>er E<strong>in</strong>führung <strong>in</strong> das Planungswerkzeug<br />

erhielten die fünf Kandidaten dieselbe Anfor<strong>der</strong>ungsspezifikation,<br />

jedoch unterschiedliche Bibliotheken. Das<br />

vorgesehene Experiment-Setup ist <strong>in</strong> Tabelle 1 (rechts)<br />

abgebildet, alle Kandidaten führen das Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g dreimal<br />

durch und variieren dabei ihre Bibliotheken. Aus dem<br />

Experiment-Setup lassen sich mit fünf Kandidaten <strong>in</strong> drei<br />

Versuchen theoretisch 15 Messergebnisse ermitteln.<br />

Kandidat AW <strong>in</strong> Zeile 1 beispielsweise sollte se<strong>in</strong>e<br />

Lösung zunächst ohne jede Bibliothek implementieren<br />

(das heißt, er kann se<strong>in</strong>e eigenen Bibliotheken bei Bedarf<br />

selbst erstellen). Im zweiten Versuch sollte zur<br />

Lösung die fehlerhafte Bibliothek 1 verwendet werden,<br />

im dritten Versuch die Bibliothek 2.<br />

Da die Kandidaten ohne spezifische Erfahrungen bezüglich<br />

des Planungswerkzeugs sowie <strong>der</strong> Automatisierungsaufgabe<br />

starten, wird vorläufig angenommen,<br />

dass alle Kandidaten <strong>in</strong> <strong>der</strong>selben Versuchsrunde<br />

denselben Erfahrungsstand besitzen. Um die Wirkung<br />

von Wie<strong>der</strong>verwendung zu untersuchen, müssten dann<br />

für dieselbe Versuchsrunde die Kandidaten mit unterschiedlichen<br />

Ansätzen verglichen werden: ke<strong>in</strong>e Bibliothek,<br />

Bibliothek 1, Bibliothek 2.<br />

Um an<strong>der</strong>erseits das Verhalten <strong>der</strong> Kandidaten untersuchen<br />

zu können, müssten die Ergebnisse für diejenigen<br />

Kandidaten verglichen werden, die dieselbe<br />

Aufgabe <strong>in</strong> verschiedenen Erfahrungsebenen (Versuchen)<br />

durchführen.<br />

Aus <strong>der</strong> praktischen Messung ergaben sich jedoch<br />

Widrigkeiten: Nicht je<strong>der</strong> Kandidat beendete alle drei<br />

Versuche, und nicht je<strong>der</strong> Kandidat beendete jeden angefangenen<br />

Versuch. Tabelle 2 (rechts) zeigt die Ergebnisse<br />

des tatsächlichen Experiments. Kandidat AW<br />

startete zwei Versuche im Experiment: Im ersten versuchte<br />

er, das SASF-System ohne jede Bibliothek zu<br />

implementieren, konnte se<strong>in</strong>e Arbeit jedoch nicht beenden.<br />

Se<strong>in</strong>en zweiten Versuch ohne Bibliothek beendete<br />

er. In Tabelle 2 steht das hochgestellte n für nicht beendet<br />

und das hochgestellte c für beendet (completed).<br />

Die Resultate des Experiments zeigen, dass die Messergebnisse<br />

trotz Laborbed<strong>in</strong>gungen e<strong>in</strong>er Komb<strong>in</strong>ation<br />

von vielen E<strong>in</strong>flüssen unterliegen, statt nur dem Messobjekt,<br />

das heißt <strong>der</strong> Effizienzsteigerung durch Verwendung<br />

von Bibliotheken. Dazu gehören:<br />

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BILD 1: Im Experiment verwendetes Beispielwerkzeug<br />

BILD 3: R&I-Fließbild<br />

des SASF-Systems<br />

STATISTICS<br />

actuars sensors signals FBDs SFCs Graphics<br />

total number 2 1 2 2 0 1<br />

avarage eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g time n.a. n.a. n.a. 00:09:29 00:05:01<br />

avarage modification time 00:00:10 00:00:10 n.a. 00:01:25 00:00:00 00:01:20<br />

re-use rate (library) n.a. n.a. n.a. 0% 0% 0%<br />

re-use rate (copy & pate) n.a. n.a. n.a. 0% 0% 0%<br />

BILD 2: Effizienz-Cockpit: oben Projekt statistik, l<strong>in</strong>ks prozentuale<br />

Verteilung <strong>der</strong> Arbeitszeiten auf verschiedene Aktivitäten<br />

I1<br />

Open Permission<br />

I2<br />

Close Permission<br />

I3<br />

OpenCloseCommand<br />

P1<br />

MotorAddress<br />

P2<br />

SensorOpenAddress<br />

Valve Block<br />

O1<br />

IsOpen<br />

O2<br />

IsClosed<br />

• I3 (boolean) öffnet das Ventil (bei true) o<strong>der</strong> schließt es (bei false),<br />

wenn die zugehörige Erlaubnis (I1/I2) true ist.<br />

• Der Aktor wird mittels P1, P2 und P3 (Integer) konfiguriert. P1 adressiert e<strong>in</strong>en<br />

Motor, P2 und P3 adressiert Berührungssensoren, die die Endposition anzeigen.<br />

• O1 zeigt an, ob das Ventil offen ist,<br />

O2 zeigt, ob es geschlossen ist.<br />

P3<br />

SensorCloseAddress<br />

BILD 4: Funktionsblockspezifikation zur Standardventilsteuerung<br />

Kandidaten Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3<br />

AW No Lib Lib1 Lib2<br />

JS No Lib Lib1 Lib2<br />

MS Lib1 No Lib Lib2<br />

NK Lib2 Lib1 No Lib<br />

NL Lib2 Lib1 No Lib<br />

TABELLE 1: Geplantes <strong>in</strong>itiales Experiment-Setup.<br />

Je<strong>der</strong> Proband sollte <strong>in</strong> drei Versuchen jeweils e<strong>in</strong>e<br />

an<strong>der</strong>e Bibliothek (Library) verwenden.<br />

Kandidaten Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3<br />

AW No Lib n No Lib c<br />

JS No Lib c Lib1 c Lib2 c<br />

MS<br />

Lib1 n<br />

NK Lib2 c Lib1 c No Lib c<br />

NL Lib2 n Lib2 n<br />

TABELLE 2: Auflistung <strong>der</strong> realen<br />

durchgeführten 11 Versuche<br />

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HAUPTBEITRAG<br />

Die Expertise <strong>der</strong> Kandidaten mit <strong>der</strong> IEC 61131-Programmierung.<br />

Die Erfahrung <strong>der</strong> Kandidaten mit dem Werkzeug.<br />

Obwohl ke<strong>in</strong> Kandidat das Werkzeug zuvor verwendet<br />

hat, stellen sich Erfahrungen mit ähnlichen<br />

Werkzeugen als vorteilhaft heraus.<br />

Die Benutzer- beziehungsweise Erlernfreundlichkeit<br />

des Werkzeugs. E<strong>in</strong>ige Kandidaten verbrachten viel<br />

Zeit damit, mit dem Werkzeug vertraut zu werden.<br />

Qualität <strong>der</strong> Spezifikation. E<strong>in</strong>ige Kandidaten verbrachten<br />

viel Zeit damit, die Anfor<strong>der</strong>ungsspezifikation<br />

zu verstehen.<br />

Domänenwissen. E<strong>in</strong>ige Kandidaten verfügen über<br />

Erfahrungswissen aus dem Bereich <strong>der</strong> Prozessautomatisierung,<br />

an<strong>der</strong>e Kandidaten haben zwar Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Erfahrung,<br />

allerd<strong>in</strong>gs <strong>in</strong> an<strong>der</strong>en Domänen.<br />

Um diese genannten Störungen herausfiltern zu können,<br />

wurde die Strategie für die Ergebnisanalyse angepasst:<br />

Die vorläufige Annahme e<strong>in</strong>er gleichen Erfahrungsebene<br />

für jede Versuchsrunde wird verworfen. Das<br />

Vorwissen <strong>der</strong> Kandidaten hat erwartungsgemäß<br />

erheblichen E<strong>in</strong>fluss auf <strong>der</strong>en Effizienz.<br />

Es ist vorteilhafter, jeden Versuch nach relativen<br />

Gesichtspunkten zu bewerten statt nach absoluten<br />

Werten wie <strong>der</strong> Zeit.<br />

Es wird versucht, Muster zu f<strong>in</strong>den <strong>in</strong> <strong>der</strong> Ausführung<br />

<strong>der</strong>selben Aufgaben zwischen unterschiedlichen<br />

Kandidaten und diese Muster mite<strong>in</strong>an<strong>der</strong><br />

zu vergleichen.<br />

Darauf basierend werden im nächsten Abschnitt die gesammelten<br />

Messwerte näher beleuchtet und auf die Wirksamkeit<br />

<strong>der</strong> Wie<strong>der</strong>verwendung sowie das Vorhandense<strong>in</strong><br />

<strong>in</strong>teressanter Muster o<strong>der</strong> Phänomene h<strong>in</strong> untersucht.<br />

2.2 Analyse des Zeitverbrauchs<br />

Erster Anhaltspunkt für e<strong>in</strong>en Vergleich <strong>der</strong> Effizienz<br />

ist <strong>der</strong> Zeitverbrauch pro Aufgabe und Kandidat. Tabelle<br />

3 stellt diese <strong>in</strong> M<strong>in</strong>uten für jede Aufgabe (ohne Leerlaufzeit)<br />

dar. Mit Hilfe von Farben werden die Aufgaben<br />

und <strong>der</strong>en Komplettierungsgrad unterschieden.<br />

Tabelle 3 zeigt, dass nur NK und JS alle drei Versuche<br />

vollenden konnten, wobei NK dafür signifikant weniger Zeit<br />

benötigte als die an<strong>der</strong>en Kandidaten. Dies lässt vermuten,<br />

dass NK <strong>der</strong> erfahrenste Kandidat war, gefolgt von JS. Die<br />

Rekordzeit von JS mit Bibliothek 1 erklärt sich dadurch, dass<br />

se<strong>in</strong> zweiter Versuch unmittelbar nach dem ersten stattfand,<br />

während er se<strong>in</strong>en dritten Versuch e<strong>in</strong>en Monat später<br />

durchführte. Dies verdeutlicht den starken Lerneffekt.<br />

AW beendete se<strong>in</strong> Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g erst im zweiten Versuch.<br />

NL konnte sich gegenüber dem ersten Versuch<br />

mit Bibliothek 2 beim zweiten Versuch mit <strong>der</strong>selben<br />

Bibliothek um 23 M<strong>in</strong>uten verbessern. Obwohl beide<br />

Ergebnisse nicht ganz fertiggestellt wurden, ist das<br />

Kandidaten Zeit (m<strong>in</strong>) ohne Leerlauf<br />

AW 110 121<br />

JS 120 40 104<br />

MS 99<br />

NK 71 79 72<br />

NL 154 131<br />

No Lib c<br />

No Lib n<br />

Lib 1 c<br />

Lib 1 n<br />

Lib 2 c<br />

Lib 2 n<br />

Kandidaten<br />

Zeitverbrauch für Test<strong>in</strong>g<br />

ohne Leerlaufzeit<br />

AW 10 | 9% 16 | 13%<br />

JS 5 | 4% 4 | 11% 45 | 43%<br />

MS 12 | 12%<br />

NK 2 | 3% 13 | 17% 4 | 6%<br />

NL 29 | 19% 20 | 15%<br />

No Lib c<br />

No Lib n<br />

Lib 1 c<br />

Lib 1 n<br />

Lib 2 c<br />

Lib 2 n<br />

TABELLE 3: Zeitverbrauch<br />

(gestrichelte Versuche wurden nicht beendet)<br />

TABELLE 5: Zeit für Test-Aktivitäten (ohne Leerlaufzeit)<br />

Kandidaten<br />

Zeitverbrauch für Logik (m<strong>in</strong>)<br />

ohne Leerlaufzeit<br />

AW 82 | 75% 79 | 65%<br />

JS 73 | 63% 25 | 63% 37 | 36%<br />

MS 63 | 64%<br />

NK 16 | 22% 25 | 32% 40 | 56%<br />

NL 82 | 54% 93 | 71%<br />

No Lib c<br />

No Lib n<br />

Lib 1 c<br />

Lib 1 n<br />

Lib 2 c<br />

Lib 2 n<br />

Kandidaten<br />

Zeitverbrauch HMI (m<strong>in</strong>)<br />

ohne Leerlaufzeit<br />

AW 1 | 1% 11 | 9%<br />

JS 11 | 9% 5 | 13% 2 | 2%<br />

MS 5 | 5%<br />

NK 6 | 9% 19 | 24% 13 | 19%<br />

NL 11 | 7% 0<br />

No Lib c<br />

No Lib n<br />

Lib 1 c<br />

Lib 1 n<br />

Lib 2 c<br />

Lib 2 n<br />

TABELLE 4: Zeit für die Logikprogrammierung<br />

(ohne Leerlaufzeit)<br />

TABELLE 6: Zeit für die Konfiguration <strong>der</strong> Bedienoberflächen<br />

(ohne Leerlaufzeit)<br />

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zweite Ergebnis besser als das erste. Beides verdeutlicht<br />

die erwartbare Lernkurve <strong>der</strong> Kandidaten.<br />

Aus zusätzlichen Messungen im Werkzeug (nicht <strong>in</strong><br />

Tabelle 3 abgebildet) ließ sich ermitteln, dass die Navigationszeit<br />

(Wechsel zwischen Ansichten im Werkzeug)<br />

für die meisten Kandidaten zwischen 5 % und 7 % lag.<br />

Nur NK konnte sehr kurze Navigationszeiten aufweisen<br />

(2 % bis 3 %). Daraus lässt sich schlussfolgern, dass NK<br />

deutlich vertrauter mit dieser Art Werkzeugen ist.<br />

Das Experiment unterstreicht damit herausragend die<br />

For<strong>der</strong>ung, dass e<strong>in</strong>e objektive und vergleichbare Messung<br />

mit rout<strong>in</strong>ierten Kandidaten durchgeführt werden<br />

sollte, die dieselbe Aufgabe bereits mehrfach absolviert<br />

haben und mit jedem Schritt vertraut s<strong>in</strong>d. NK erweist<br />

sich als <strong>der</strong>jenige Kandidat mit dem höchsten Rout<strong>in</strong>egrad.<br />

Aus diesem Grund fokussiert die folgende Analyse<br />

verstärkt auf die Auswertung se<strong>in</strong>er Ergebnisse,<br />

um den E<strong>in</strong>fluss des Faktors Mensch zu reduzieren.<br />

Als nächstes wird untersucht, wie sich die Zeit verteilt,<br />

die die Kandidaten mit Aktivitäten zur Erstellung<br />

von Logik, dem Testen und <strong>der</strong> Konfiguration <strong>der</strong> Bedienoberfläche<br />

verbracht haben, siehe Tabellen 4-6. Mit<br />

Testen bezeichnen die Autoren e<strong>in</strong>en zusammenhängenden<br />

Zeitraum von Test-Aktivitäten e<strong>in</strong>schließlich<br />

Leerlauf- und Navigationszeit.<br />

Die Zellen dieser Tabellen zeigen jeweils zwei Nummern:<br />

die absolute Zeit <strong>in</strong> M<strong>in</strong>uten zur Vervollständigung<br />

e<strong>in</strong>er Aufgabe sowie den relativen Anteil des<br />

Zeitverbrauchs des Kandidaten <strong>in</strong> Prozent gemessen an<br />

<strong>der</strong> Gesamtzeit, die <strong>der</strong> Kandidat für die gesamte Aufgabe<br />

verbraucht hat, siehe Bild 2.<br />

Betrachten wir die Ergebnisse von NK: Tabelle 4<br />

zeigt, dass die für die Logikprogrammierung benötigte<br />

Zeit aus dem ersten Versuch (mit Bibliothek 2) bis zu<br />

Versuch 3 (ke<strong>in</strong>e Bibliothek) zunimmt, obwohl se<strong>in</strong><br />

Erfahrungsschatz wächst. Mit an<strong>der</strong>en Worten: Trotz<br />

des Zuwachses an Erfahrungen verbrachte er mehr Zeit<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> dritten Runde (ohne Bibliothek) als <strong>in</strong> den ersten<br />

beiden (mit Bibliothek 2 und Bibliothek 1).<br />

Im Gegensatz dazu steht die Zeit von NK, die er mit<br />

Testen und Konfiguration <strong>der</strong> Bedienoberfläche verbracht<br />

hat: Sie war kürzer unter Verwendung von Bibliothek<br />

2 statt ke<strong>in</strong>er Bibliothek, wobei die Nutzung <strong>der</strong><br />

fehlerhaften Bibliothek 1 <strong>in</strong> se<strong>in</strong>em zweiten Versuch am<br />

längsten dauert. Die Test-Zeit für JS mit Bibliothek 1 war<br />

ebenfalls länger als diejenige ohne Bibliothek, obwohl<br />

JS die Implementierung zunächst ohne Bibliothek ausgeführt<br />

hat und unmittelbar danach dieselbe Aufgabe<br />

unter Nutzung von Bibliothek 1 durchführte. Dieses<br />

Phänomen deutet bei NK und JS darauf h<strong>in</strong>, dass die<br />

Nutzung e<strong>in</strong>er fehlerhaften Bibliothek schlimmere Folgen<br />

haben kann als die Verwendung ke<strong>in</strong>er Bibliothek.<br />

Weiterh<strong>in</strong> war für JS und NK die Nutzung von Bibliothek<br />

2 bei <strong>der</strong> Konfiguration <strong>der</strong> Bedienoberflächen mit<br />

deutlich weniger Zeit verbunden als die von Bibliothek<br />

1 o<strong>der</strong> ke<strong>in</strong>er Bibliothek. Dies deutet darauf h<strong>in</strong>,<br />

dass die Bibliothek 2 hilfreicher für die HMI-Entwicklung<br />

war. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die<br />

Messmethodik auch zur Ermittlung von Qualitätsunterschieden<br />

<strong>in</strong> Bibliotheken angewendet werden kann.<br />

BILD 5: Aktivitätsdiagramm für AW ohne Bibliothek (Versuch 2).<br />

Gut erkennbar ist die Reihenfolge <strong>der</strong> Arbeitsschritte durch die<br />

Verwendung <strong>der</strong> verschiedenen Editoren über die Zeit.<br />

2.3 Analyse des gewählten Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Workflows<br />

Aus den ermittelten elf Aktivitätsdiagrammen, e<strong>in</strong> Beispiel<br />

ist <strong>in</strong> Bild 5 gezeigt, lässt sich ableiten, dass <strong>in</strong> den<br />

meisten Fällen je<strong>der</strong> Kandidat dieselbe Schrittfolge<br />

wählte: E/A-Kommunikationserstellung (FDI), Logikprogrammierung,<br />

Testen (Check-out) und Konfiguration<br />

<strong>der</strong> Bedienoberfläche (HMI). E<strong>in</strong>e <strong>in</strong>teressante Beobachtung<br />

besteht dar<strong>in</strong>, dass <strong>in</strong> <strong>der</strong> ersten Versuchsrunde<br />

fast alle Teilnehmer mit dem HMI begannen, bevor sie<br />

das Testen durchführten. In <strong>der</strong> zweiten Versuchsrunde<br />

h<strong>in</strong>gegen hat ke<strong>in</strong> Teilnehmer mit <strong>der</strong> Arbeit am HMI<br />

vor dem Testen begonnen, siehe Bild 5. Die Erstellung<br />

des HMI wird folglich nicht als vorteilhaft für das Testen<br />

wahrgenommen.<br />

2.4 Analyse <strong>der</strong> Projektkomplexität des fertigen Projekts<br />

Bild 6 zeigt anhand mehrerer Sp<strong>in</strong>nendiagramme, wie<br />

viele Artefakte <strong>in</strong> jedem E<strong>in</strong>zelversuch erzeugt wurden.<br />

Hierbei wurden nur die erfolgreichen Versuche von AW,<br />

JS und NK untersucht. Die Diagramme verdeutlichen:<br />

E<strong>in</strong> und dasselbe Projekt wurde auf verschiedene Weisen<br />

und mit unterschiedlicher Anzahl von Artefakten<br />

gelöst. Alle Kandidaten erzeugten 3 Controller, 8 Aktoren<br />

und 3 Sensoren, aber die Anzahl <strong>der</strong> an<strong>der</strong>en Artefakte<br />

variierte: 3-5 Grafikelemente, 10-30 Signale, 7-12<br />

Funktionsbauste<strong>in</strong>diagramme und 0-2 Schrittketten.<br />

Doch wie geeignet ist dieses Diagramm im praktischen<br />

E<strong>in</strong>satz, kann es die Komplexität e<strong>in</strong>es ganzen<br />

Projektes s<strong>in</strong>nvoll visualisieren? Nach kurzem Üben<br />

erkannte das menschliche Auge schnell e<strong>in</strong> Projekt-<br />

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

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39


HAUPTBEITRAG<br />

muster. Die vorgeschlagene grafische Darstellung<br />

zeigt im Vergleich untere<strong>in</strong>an<strong>der</strong> ihre Stärken und<br />

erlaubt e<strong>in</strong> zügiges visuelles Erfassen des Musters.<br />

Interessant ist, dass das grundsätzliche Muster <strong>der</strong><br />

Sp<strong>in</strong>nendiagramme beim Betrachten für alle Projektvarianten<br />

sichtbar ähnlich ist. Die auf Maximalwerte<br />

optimierte Achsenskalierung verstärkt die Ähnlichkeitswahrnehmung.<br />

Dies bedeutet, dass e<strong>in</strong> signifikanter<br />

Ausreißer aus diesem Muster sichtbar wäre<br />

und so visuell schnell auf e<strong>in</strong>e potenziell beson<strong>der</strong>e<br />

beziehungsweise falsche Lösung h<strong>in</strong>weist. Zeilenweise<br />

betrachtet lässt sich sogar erahnen, wie JS und NK<br />

von Versuch zu Versuch e<strong>in</strong>en wie<strong>der</strong>kehrenden Lösungsansatz<br />

wählen. Diese Vermutung wäre jedoch<br />

anhand weiterer Projekte und Untersuchungen noch<br />

nachzuweisen.<br />

Die Bil<strong>der</strong> <strong>in</strong>nerhalb e<strong>in</strong>er Reihe sche<strong>in</strong>en optisch<br />

übrigens ähnlicher als beim Vergleich zwischen den<br />

Probanden. Zudem fiel auf, dass JS <strong>in</strong> jedem Versuch<br />

Schrittketten erstellte, woh<strong>in</strong>gegen NK diese nicht verwendete:<br />

Dies deutet auf unterschiedliche Vertrautheit<br />

<strong>der</strong> Kandidaten mit dieser Sprache und weist auf Verbesserungspotenziale<br />

h<strong>in</strong>.<br />

2.5 Analyse des Projektfortschritts über die Zeit<br />

E<strong>in</strong>en <strong>in</strong>teressanten E<strong>in</strong>blick vermittelt das Diagramm<br />

des Prozessfortschrittes. Um den E<strong>in</strong>fluss <strong>der</strong> Kandidatenerfahrung<br />

zu reduzieren, enthält Bild 7 die Diagramme<br />

nur für NK und JS, da nur sie alle drei Versuche<br />

vollständig erfüllten. Die Spalten zeigen hierbei die<br />

Szenarien: Nutzung von ke<strong>in</strong>er Bibliothek, Bibliothek 1<br />

und Bibliothek 2 (<strong>in</strong> dieser Reihenfolge).<br />

Zunächst wird deutlich, dass alle Projekte <strong>in</strong> allen<br />

Versuchen gleichermaßen zu Beg<strong>in</strong>n des Projektes e<strong>in</strong>en<br />

Sprung aufweisen. Unabhängig von <strong>der</strong> Verwendung<br />

e<strong>in</strong>er Bibliothek wurden <strong>in</strong>nerhalb <strong>der</strong> ersten 3-10<br />

M<strong>in</strong>uten 100 % aller benötigten Controller, Aktoren<br />

o<strong>der</strong> Sensoren erzeugt.<br />

Ohne Bibliothek (Spalte 1) mussten die Kandidaten<br />

alle Artefakte Schritt für Schritt erzeugen – dies wird<br />

<strong>in</strong> e<strong>in</strong>em weitgehend kont<strong>in</strong>uierlichen Anstieg deutlich,<br />

<strong>der</strong> sich bis dicht ans Projektende fortsetzt. E<strong>in</strong><br />

Löschen von Artefakten wird durch e<strong>in</strong>en Rückgang<br />

<strong>der</strong> Kurve deutlich.<br />

Unter Verwendung von Bibliotheken wird die f<strong>in</strong>ale<br />

Anzahl <strong>der</strong> benötigten Artefakte deutlich früher erreicht,<br />

bei Bibliothek 2 früher als bei Bibliothek 1 (siehe<br />

gestrichelte vertikale L<strong>in</strong>ien). Anschließend bleibt<br />

die Zahl <strong>der</strong> Artefakte nahezu konstant, weil diese nun<br />

parametrisiert und verknüpft werden müssen.<br />

E<strong>in</strong>e weitere Beobachtung aus den Messergebnissen<br />

bestand dar<strong>in</strong>, dass fast alle Kandidaten <strong>in</strong>mitten ihrer<br />

Tests Zusatzsignale erzeugten, um sie später wie<strong>der</strong> zu<br />

löschen. Dies ist <strong>in</strong> Bild 7 jedoch kaum sichtbar, weil<br />

das Erzeugen und Löschen <strong>der</strong> Zusatzsignale zu ke<strong>in</strong>em<br />

Anstieg <strong>der</strong> Kurven führt. Für JS und NK war<br />

dieses Phänomen im Vergleich zum Versuch ohne Bibliothek<br />

im Datenbestand beson<strong>der</strong>s offensichtlich bei<br />

Verwendung von Bibliothek 2. Ohne Bibliothek wurden<br />

im Schnitt 150 % <strong>der</strong> benötigten Signale erzeugt,<br />

unter Verwendung von Bibliothek 2 nicht mehr als<br />

120 %. Die übrigen Kandidaten mit weniger Erfahrung<br />

erzeugten Zusatzsignale <strong>in</strong> je<strong>der</strong> Aufgabe (bis zu<br />

150 %). Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die Verwendung<br />

von Bibliotheken die Zahl von Zusatzsignalen<br />

reduziert.<br />

2.6 Analyse <strong>der</strong> Modifikationsdiagramme<br />

BILD 6: Projektkomplexität für alle abgeschlossenen<br />

Lösungen <strong>der</strong> Kandidaten <strong>in</strong> allen Versuchen<br />

Aus den erstellten elf Modifikationsdiagrammen<br />

konnten die Autoren ke<strong>in</strong>e Muster für das Modifikationsverhalten<br />

<strong>der</strong> Kandidaten für dieselbe Aufgabe<br />

ableiten. Es wird deutlich, dass je<strong>der</strong> Kandidat se<strong>in</strong><br />

eigenes Modifikationsmuster über alle Versuche h<strong>in</strong>weg<br />

beibehielt.<br />

Dies wird anhand von NK deutlich: Bild 8 zeigt die<br />

Modifikationsdiagramme von NK für alle drei Versuche.<br />

Es wird sichtbar, dass NK zunächst die Modifikation<br />

von Aktoren und Sensoren gleich zu Beg<strong>in</strong>n<br />

vornahm, anschließend Modifikationen an Logikelementen<br />

(FBD) vollzog und am Ende die Grafikelemente<br />

modifizierte. Aus den an<strong>der</strong>en, hier nicht abgebildeten<br />

Modifikationsdiagrammen, zeigen sich <strong>in</strong>teressante<br />

Verhaltensmuster: NL führte Än<strong>der</strong>ungen stets im gleichen<br />

Zeitmuster durch und durchlief offensichtlich die<br />

Anfor<strong>der</strong>ungsspezifikation <strong>in</strong> <strong>der</strong>selben Reihenfolge<br />

und modifizierte die Artefakte <strong>in</strong> dieser Abfolge. JS und<br />

40<br />

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

6 / 2014


BILD 7: Vergleich des<br />

Projektfortschritts von<br />

drei Versuchen jeweils<br />

zweier Probanden.<br />

Die gestrichelte L<strong>in</strong>ie<br />

zeigt den Übergang<br />

zwischen starkem<br />

Wachstum und<br />

flachem Wachstum <strong>der</strong><br />

Anzahl <strong>der</strong> Artefakte.<br />

BILD 8: Modifikationsdiagramme von NK für alle drei Versuche.<br />

AW zeigten h<strong>in</strong>gegen e<strong>in</strong>e deutlich glattere Modifikationskurve,<br />

denn sie löschten fortwährend FBD Elemente<br />

während des gesamten Versuchs.<br />

2.7 Analyse <strong>der</strong> Wie<strong>der</strong>verwendungsdiagramme<br />

Wie<strong>der</strong>verwendungsdiagramme zeigen die Häufigkeit<br />

<strong>der</strong> Wie<strong>der</strong>verwendung von Logik- (FBD, SFC) o<strong>der</strong><br />

Grafikelementen durch Instanziieren beziehungsweise<br />

durch Kopieren und E<strong>in</strong>fügen von Bibliothekselementen<br />

<strong>in</strong> das Projekt.<br />

Aus <strong>der</strong> Auswertung dieser Diagramme für alle Kandidaten<br />

ergibt sich e<strong>in</strong> signifikanter Zusammenhang<br />

zwischen dem Akt <strong>der</strong> Wie<strong>der</strong>verwendung und dem<br />

Auftreten von Än<strong>der</strong>ungen. Bild 9 zeigt dies anhand<br />

e<strong>in</strong>es komb<strong>in</strong>ierten Wie<strong>der</strong>verwendungs-/Modifikationsdiagramms<br />

für NK bei <strong>der</strong> Implementierung des<br />

SASF mit <strong>der</strong> Bibliothek 1.<br />

Es ist zu erkennen, dass nach dem Instanziieren von<br />

Artefakten aus e<strong>in</strong>er Bibliothek beziehungsweise durch<br />

das Duplizieren von Artefakten durch Kopieren und<br />

E<strong>in</strong>fügen e<strong>in</strong>e erhöhte Modifikationsrate folgt. Dies ist<br />

plausibel, weil erzeugte Bibliothekselemente anschließend<br />

angepasst werden müssen.<br />

Für NK stellt sich für alle drei Versuche heraus, dass<br />

die Zahl <strong>der</strong> Modifikationen typischerweise größer war<br />

als die Zahl <strong>der</strong> Löschungsaktionen, siehe Bild 10. Für<br />

die übrigen Kandidaten galt dies an<strong>der</strong>sherum. Dieses<br />

Phänomen unterstreicht erneut, das NK erfahrener als<br />

die übrigen Kandidaten ist und Bibliotheken effizienter<br />

nutzen kann. Bild 10 zeigt die Wie<strong>der</strong>verwendungs/<br />

Modifikationsdiagramme für alle drei Versuche von NK.<br />

Unter Verwendung <strong>der</strong> korrekten Bibliothek 2 fällt auf,<br />

dass <strong>in</strong> <strong>der</strong> Test-Phase, hiermit bezeichnen die Autoren<br />

e<strong>in</strong>en zusammenhängenden Zeitraum von Test-Aktivitäten<br />

e<strong>in</strong>schließlich Leerlauf- und Navigationszeit, plötzlich erhöhte<br />

Än<strong>der</strong>ungsaktivitäten auftreten. Hier entdeckte NK<br />

e<strong>in</strong>en Fehler und korrigierte ihn. Es wird zudem deutlich,<br />

dass NK unter Verwendung <strong>der</strong> korrekten Bibliothek 2 <strong>in</strong><br />

<strong>der</strong> Test-Phase 18 M<strong>in</strong>uten benötigte, mit <strong>der</strong> fehlerhaften<br />

Bibliothek 1 h<strong>in</strong>gegen trotz besserer Kenntnis <strong>der</strong> Aufgabenstellung<br />

30 M<strong>in</strong>uten. Dies bestätigt die verzögernde<br />

Auswirkung fehlerhafter Bibliotheken. Interessant: ohne<br />

Bibliotheken <strong>in</strong> Versuch 3 dauerte die Test<strong>in</strong>g-Phase nur 5<br />

M<strong>in</strong>uten: Dies h<strong>in</strong>terfragt die Bibliothek <strong>in</strong>sgesamt.<br />

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

6 / 2014<br />

41


HAUPTBEITRAG<br />

BILD 9: Überlagerung von Wie<strong>der</strong> verwendungsund<br />

Modifikationsdiagramm (Kandidat NK,<br />

fehlerhafte Bibliothek 1). Die Achsen wurden so<br />

gewählt, dass die parallele Entwicklung bei<strong>der</strong><br />

Kurven deutlich wird.<br />

BILD 10: Wie<strong>der</strong>verwendungs- und Modifikationsdiagramm für NK<br />

3. EMPFEHLUNGEN UND AUSBLICK<br />

Der im Beitrag vorgeschlagene Ansatz zur Bewertung von<br />

Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Methoden betritt Neuland, weil die Bewertung<br />

auf Basis von Messungen erfolgt. Der Mehrwert dieser<br />

Methode liegt, wenn sie sorgfältig ausgeführt wird, <strong>in</strong><br />

<strong>der</strong> Objektivität <strong>der</strong> Messung. Im Ergebnis ist festzustellen,<br />

dass die vorgeschlagene Methode zur Messung und<br />

Visualisierung von Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Effizienz funktioniert<br />

und – unter <strong>der</strong> Voraussetzung, dass <strong>der</strong> Versuchsaufbau<br />

wohlüberlegt def<strong>in</strong>iert wurde – <strong>in</strong>teressante und wertvolle<br />

E<strong>in</strong>sichten zum Thema Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Effizienz liefert.<br />

Das Experiment zeigt, dass die vorgestellte Messmethode<br />

tatsächlich Licht <strong>in</strong> den bisher schwer erfassbaren<br />

werkzeugbezogenen Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Prozess br<strong>in</strong>gt und<br />

e<strong>in</strong>e große Fülle von Details liefert. Die wichtigste Erkenntnis<br />

dieses Experiments ist, dass die <strong>in</strong>dividuelle<br />

Erfahrung <strong>der</strong> Probanden die Messung erheblich bee<strong>in</strong>flusst<br />

und <strong>der</strong> vorgeschlagene Ansatz zur Effizienzmessung<br />

nur dann reproduzierbare und vergleichbare Aussagen<br />

liefert, wenn die Messung von rout<strong>in</strong>ierten und<br />

erfahrenen Kandidaten ausgeführt wird. Dies erfor<strong>der</strong>t<br />

nicht unbed<strong>in</strong>gt e<strong>in</strong>en Profi, e<strong>in</strong> rout<strong>in</strong>iertes und mehrfach<br />

e<strong>in</strong>geübtes Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g unter Verwendung e<strong>in</strong>er<br />

Methode reicht aus. E<strong>in</strong>e solche partielle Expertise genügt<br />

und ist erreicht, wenn <strong>der</strong> Kandidat e<strong>in</strong>e Sättigung<br />

se<strong>in</strong>er eigenen Leistung im Benchmark-Projekt verspürt<br />

o<strong>der</strong> weitere Versuche ke<strong>in</strong>e weiteren Verbesserungen<br />

anzeigen. Solange <strong>der</strong> Kandidat unsicher ist, führt dies<br />

zu starken Störe<strong>in</strong>flüssen <strong>der</strong> Messung aufgrund se<strong>in</strong>er<br />

<strong>in</strong>dividuellen Erfahrung. Für rout<strong>in</strong>ierte Probanden ist<br />

die Lernkurve vor <strong>der</strong> Messung bereits durchlaufen und<br />

als Störgröße elim<strong>in</strong>iert: Dies vere<strong>in</strong>facht die Interpretation<br />

<strong>der</strong> Messergebnisse und erlaubt e<strong>in</strong>e s<strong>in</strong>nvolle<br />

Bewertung <strong>der</strong> untersuchten Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Methode.<br />

Für den ungeübten Probanden h<strong>in</strong>gegen wird die <strong>in</strong>dividuelle<br />

Lernkurve beobachtbar und messbar, wenn<br />

er dasselbe Projekt unter Verwendung <strong>der</strong>selben Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Methodik<br />

mehrfach wie<strong>der</strong>holt. Diese Form <strong>der</strong><br />

Lernkurvenermittlung bietet, gemittelt über mehrere<br />

Probanden, aufschlussreiches Material zur Verbesserung<br />

<strong>der</strong> Usability im S<strong>in</strong>ne des Selbsterklärungsniveaus<br />

e<strong>in</strong>es Werkzeuges und macht selbst diesen bislang<br />

kaum erfassbaren Faktor endlich messbar, quantifizierbar<br />

und geschäftlich beurteilbar.<br />

Ferner wird deutlich, dass die sorgfältig ausgeführte<br />

Messmethode ebenso weiche Faktoren, wie die Fehlerfreiheit<br />

von Bibliotheken und die Qualität von Anfor<strong>der</strong>ungsspezifikationen,<br />

messbar macht. So zeigte das<br />

Experiment beispielhaft die nachteilige Wirkung fehlerhafter<br />

Bibliothekselemente, weil sie die Testphase<br />

und Fehlersuche erschweren, und es verdeutlicht den<br />

42<br />

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

6 / 2014


Modifikationsaufwand, <strong>der</strong> nach e<strong>in</strong>er Wie<strong>der</strong>verwendungsaktion<br />

entsteht. Dies unterstreicht, dass <strong>der</strong> Zeitgew<strong>in</strong>n<br />

durch Verwendung von Bibliotheken nicht nur<br />

durch ihre Entwicklungszeit, son<strong>der</strong>n auch durch Modifikationen<br />

auf Instanzebene, durch Fehlersuche und<br />

durch die Zeit zum F<strong>in</strong>den passen<strong>der</strong> Bibliothekselemente<br />

reduziert wird.<br />

Die Messmethode erlaubt folglich Rückschlüsse über<br />

den Nutzen von Bibliotheken, über gelebte Workflow-<br />

Muster, die Komplexität des Projektes o<strong>der</strong> beispielsweise<br />

Gewohnheiten <strong>der</strong> Kandidaten. Neben diesen<br />

E<strong>in</strong>sichten ergeben sich e<strong>in</strong>ige <strong>in</strong>teressante Regeln, die<br />

bei E<strong>in</strong>satz geübter Test<strong>in</strong>genieure gelten:<br />

Die Anzahl von Artefakten reflektiert die Projektkomplexität<br />

gut.<br />

Die durchschnittliche Zeit pro Artefakt erlaubt<br />

Vergleiche, wie e<strong>in</strong>fach die Arbeit mit e<strong>in</strong>em Artefakt<br />

im Werkzeug ist (Usability).<br />

Die Zeit ohne Leerlauf gestattet Vergleiche, wie<br />

effizient das Werkzeug <strong>in</strong>sgesamt zu bedienen ist,<br />

um e<strong>in</strong>e Aufgabe zu erledigen.<br />

Neben dem E<strong>in</strong>satz unter Laborbed<strong>in</strong>gungen bietet dieser<br />

Ansatz auch im täglichen Projektgeschäft erhellende<br />

E<strong>in</strong>blicke und könnte e<strong>in</strong> Standardverfahren zur<br />

Verbesserung von Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Werkzeugen werden, bei<br />

dem Anwen<strong>der</strong> und Hersteller geme<strong>in</strong>sam Software auf<br />

rationaler Basis analysieren.<br />

Die vorgeschlagene Messmethode versteht sich als<br />

Beitrag zur Bewertung und För<strong>der</strong>ung neuer Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Methoden<br />

und dem Transfer von Ideen aus <strong>der</strong><br />

Wissenschaft <strong>in</strong> die Praxis. Die durch die Messung ermittelte<br />

Datenfülle bietet über diesen Beitrag h<strong>in</strong>aus<br />

vermutlich noch viele weitere Möglichkeiten und Ansatzpunkte<br />

zur Interpretation. S<strong>in</strong>nvoll wäre beispielsweise,<br />

allgeme<strong>in</strong>gültige Benchmark-Beispiele für Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Methoden<br />

zu entwickeln und als Grundlage<br />

e<strong>in</strong>er breiteren Vergleichbarkeit zu publizieren.<br />

Wissenschaft und Industrie s<strong>in</strong>d e<strong>in</strong>geladen, die Methodik<br />

sowie die vorgestellten Visualisierungsformen<br />

e<strong>in</strong>zusetzen und weiterzuentwickeln. Das Ziel: neue<br />

Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Methoden auf den Prüfstand zu stellen<br />

und ihre Verbesserungspotenziale nachzuweisen.<br />

REFERENZEN<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

14.01.2014<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

[1] Drath, R., Mess<strong>in</strong>ger, Ch., Schröter, B., Li, Nuo,<br />

Gutermuth, G.: Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Effizienz automatisch<br />

messen – Def<strong>in</strong>ition, Erfassung und Visualisierung.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> – Automatisierungstechnische Praxis<br />

56(5), S. 32-41, 2014<br />

AUTOREN<br />

Dr.-Ing. RAINER DRATH (geb. 1970) ist Program Manager im ABB<br />

Forschungszentrum Deutschland <strong>in</strong> Ladenburg. Er beschäftigt<br />

sich mit <strong>der</strong> Entwicklung neuer <strong>Konzept</strong>e und Methoden zur<br />

Verbesserung des Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g von Automatisierungssystemen.<br />

ABB Forschungszentrum Ladenburg,<br />

Wallstadter Str. 59,<br />

D-68526 Ladenburg,<br />

E-Mail: ra<strong>in</strong>er.drath@de.abb.com<br />

Dipl. Phys. GEORG GUTERMUTH (geb. 1969) ist Gruppen leiter<br />

im ABB Forschungszentrum Deutschland <strong>in</strong> Ladenburg. Er<br />

beschäftigt sich mit <strong>der</strong> Verbesserung von Workflows,<br />

Werkzeugen und Methoden des Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g von Automatisierungs-<br />

sowie elektrischen Systemen.<br />

ABB Forschungszentrum Ladenburg,<br />

Wallstadter Str. 59,<br />

D-68526 Ladenburg,<br />

E-Mail: georg.gutermuth@de.abb.com<br />

Dipl. Inf. CHRISTIAN MESSINGER (geb. 1983) ist Scientist im<br />

ABB Forschungszentrum Deutschland <strong>in</strong> <strong>der</strong> Abteilung<br />

„Industrial Software and Applications“ und beschäftigt sich<br />

vor allem mit <strong>der</strong> Entwicklung und Verbesserung von<br />

Automation-Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g Software.<br />

ABB Forschungszentrum Ladenburg,<br />

Wallstadter. Str. 59,<br />

D-68526 Ladenburg,<br />

E-Mail: christian.mess<strong>in</strong>ger@de.abb.com<br />

Dr. NUO LI (geb. 1981) ist wissenschaftliche Mitarbeiter<strong>in</strong> im ABB<br />

Forschungszentrum Deutschland <strong>in</strong> Ladenburg. Ihre Themenschwerpunkte<br />

liegen <strong>in</strong> <strong>der</strong> Anwendung von Software-Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Technologien<br />

zur Verbesserung des Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Prozesses.<br />

ABB Forschungszentrum Ladenburg,<br />

Wallstadter Str. 59,<br />

D-68526 Ladenburg,<br />

E-Mail: nuo.li@de.abb.com<br />

Dr.-Ing. BEN SCHRÖTER (geb. 1977) ist Mitarbeiter <strong>der</strong> Entwicklung<br />

von speicherprogrammierbaren Steuerungen <strong>in</strong>nerhalb <strong>der</strong><br />

ABB Automation Products GmbH. Se<strong>in</strong> Arbeits schwerpunkt ist<br />

die Weiterentwicklung von PC-basierten Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Werkzeugen<br />

im Umfeld <strong>der</strong> Fabrikautomatisierung.<br />

ABB Automation Products GmbH,<br />

Eppelheimer Straße 82,<br />

D-69123 Heidelberg,<br />

E-Mail: ben.schroeter@de.abb.com<br />

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

6 / 2014<br />

43


HAUPTBEITRAG<br />

OPC UA für Industrie 4.0<br />

Sicherer Austausch semantischer Information<br />

Die Kommunikation bei Industrie 4.0 wird nicht mehr auf re<strong>in</strong>en Daten, son<strong>der</strong>n auf<br />

dem Austausch semantischer Information basieren. Darüber h<strong>in</strong>aus wird die Übertragungssicherheit<br />

e<strong>in</strong>e herausragende Bedeutung haben. Diese Aufgabenstellungen<br />

s<strong>in</strong>d Kernpunkte <strong>der</strong> OPC Unified Architecture (OPC UA). OPC UA enthält e<strong>in</strong>e<br />

Beschreibungssprache und die Kommunikationsdienste für Informationsmodelle.<br />

Der Beitrag beschreibt, warum dieser Standard universell nutzbar ist. Er kommt<br />

bereits <strong>in</strong> Anwendungsdomänen wie Fertigungs-, Prozess-, Gebäude-, Energieautomatisierung<br />

und Condition Monitor<strong>in</strong>g zum E<strong>in</strong>satz.<br />

SCHLAGWÖRTER OPC UA / Industrie 4.0 / Informationsmodelle<br />

OPC UA for Industry 4.0 –<br />

Transmission Integrity of Semantic Information<br />

Industry 4.0 communication is based not only on pure data, but also on the exchange<br />

of semantic <strong>in</strong>formation. In addition, transmission <strong>in</strong>tegrity is a key factor. These<br />

tasks are essential aspects of the OPC Unified Architecture. OPC UA conta<strong>in</strong>s a<br />

comprehensive description language and the communication services required for<br />

<strong>in</strong>formation models. It is already applied <strong>in</strong> several doma<strong>in</strong>s <strong>in</strong>clud<strong>in</strong>g automated<br />

manufactur<strong>in</strong>g, build<strong>in</strong>g automation, process automation, energy automation, and<br />

condition monitor<strong>in</strong>g.<br />

KEYWORDS OPC UA / Industry 4.0 / <strong>in</strong>formation models<br />

44<br />

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

6 / 2014


KARL-HEINZ DEIRETSBACHER, Siemens<br />

WOLFGANG MAHNKE, ABB<br />

Der Trend <strong>in</strong> <strong>der</strong> Automatisierung geht dah<strong>in</strong>,<br />

die Semantik <strong>der</strong> Kommunikationsdaten zu<br />

standardisieren. Normen wie ISA 88<br />

(IEC 61512, Chargenverarbeitung), ISA 95<br />

(IEC 62264, MES-Ebene), o<strong>der</strong> das Common<br />

Information Model (CIM) mit <strong>der</strong> IEC 61970 für Energiemanagement<br />

sowie IEC 61968 für Energieverteilung<br />

def<strong>in</strong>ieren die Semantik <strong>der</strong> Daten <strong>in</strong> denen von<br />

ihnen adressierten Domänen. Dies passiert zunächst<br />

unabhängig von <strong>der</strong> Spezifikation, wie die Daten übertragen<br />

werden.<br />

Mit OPC UA [1, 2], auch veröffentlicht als IEC 62541<br />

[3], lassen sich beliebig komplexe Informationsmodelle<br />

austauschen – und zwar die Instanzen und die Typen<br />

(die Metadaten). Damit ergänzt es die zuvor genannten<br />

Standards und ermöglicht e<strong>in</strong>e Interoperabilität auf<br />

semantischer Ebene.<br />

Industrie 4.0 setzt auf diesen Trend. In den Umsetzungsempfehlungen<br />

für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 [4]<br />

wird gefor<strong>der</strong>t:<br />

dass die richtigen Daten und Informationen allen<br />

Beteiligten <strong>in</strong> allen Lebenszyklus-Phasen zur Verfügung<br />

stehen müssen;<br />

dass die Fabrik sich gewissermaßen selbst – durch<br />

<strong>in</strong>telligente Sensorik und durchgängige Daten –<br />

vertikal <strong>in</strong>tegriert durch alle Ebenen <strong>der</strong> Automatisierungspyramide;<br />

dass Geräte und Systeme <strong>in</strong> <strong>der</strong> Lage se<strong>in</strong> sollen,<br />

selbstständig Daten untere<strong>in</strong>an<strong>der</strong> auszutauschen.<br />

Aufzüge o<strong>der</strong> Klimaanlagen kommunizieren dann<br />

über das Netz mit <strong>der</strong> Wartungszentrale, die den<br />

Reparaturdienst koord<strong>in</strong>iert; Conta<strong>in</strong>er können <strong>in</strong><br />

Echtzeit ihre Position an das Logistikzentrum<br />

übermitteln, das automatisch den Lastwagen zu<br />

<strong>der</strong>en Abholung dirigiert und den notwendigen<br />

Lagerraum bereitstellt.<br />

OPC ist <strong>in</strong> <strong>der</strong> Fertigungs<strong>in</strong>dustrie und <strong>in</strong> <strong>der</strong> Prozessautomatisierung<br />

<strong>der</strong> etablierte und anerkannte Standard.<br />

Erhebungen sprechen von mehr als 2 500 Firmen,<br />

die über 15 000 OPC-Produkte <strong>in</strong> Millionen von Installationen<br />

auf den Markt gebracht haben. Die Plattformunabhängigkeit<br />

und Skalierbarkeit erlauben e<strong>in</strong>erseits,<br />

OPC UA direkt <strong>in</strong> Automatisierungsgeräten (zum Beispiel<br />

speicherprogrammierbare Steuerungen, Sensoren)<br />

zu implementieren. An<strong>der</strong>erseits wird damit auch <strong>der</strong><br />

Weg <strong>in</strong> High-End- und Leitsysteme geebnet.<br />

1. ZIELSETZUNG BEI DER KONZIPIERUNG<br />

OPC UA wurde für die Unterstützung von unterschiedlichen<br />

Systemen konzipiert: von <strong>der</strong> SPS <strong>in</strong> <strong>der</strong> Produktion<br />

bis zu den Servern des Unternehmens. Diese Systeme<br />

s<strong>in</strong>d durch e<strong>in</strong>e Vielfalt h<strong>in</strong>sichtlich Größe, Leistung,<br />

Plattformen und funktionellen Fähigkeiten<br />

charakterisiert.<br />

Um die Zielsetzung zu erreichen, wurden für OPC UA<br />

folgende Grundbestandteile spezifiziert, siehe Bild 1:<br />

Kommunikations<strong>in</strong>frastruktur – für die Mechanismen<br />

zum Datenaustausch zwischen OPC-UA-Anwendungen.<br />

Verschiedene Transportprotokolle<br />

existieren für unterschiedliche Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

(optimiert für Geschw<strong>in</strong>digkeit und Durchsatz =<br />

UA TCP mit UA B<strong>in</strong>ary; firewall-friendly = http +<br />

Soap).<br />

Metamodell – spezifiziert die Regeln und Grundbauste<strong>in</strong>e,<br />

um e<strong>in</strong> Informationsmodell über OPC UA<br />

zu veröffentlichen. Es be<strong>in</strong>haltet verschiedene E<strong>in</strong>stiegsknoten<br />

und Basis-Typen.<br />

Dienste – realisieren die Schnittstelle zwischen<br />

e<strong>in</strong>em Server als Anbieter von Information und den<br />

Clients als Nutzer dieser Information.<br />

Die Informationsmodelle s<strong>in</strong>d schichtenweise aufgebaut,<br />

siehe Bild 2. Je<strong>der</strong> höherwertige Typ basiert auf<br />

bestimmten Basisregeln. Somit können Clients, die nur<br />

die Basisregeln kennen und implementieren, trotzdem<br />

komplexe Informationsmodelle bearbeiten. Sie verstehen<br />

dann zwar nicht die Zusammenhänge, können aber<br />

zum Beispiel durch den Adressraum navigieren und<br />

Datenvariablen lesen o<strong>der</strong> schreiben.<br />

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

6 / 2014<br />

45


HAUPTBEITRAG<br />

1.1 Integriertes Adressraummodell<br />

Das Objektmodell erlaubt es, Produktionsdaten,<br />

Alarme, Events und historische Daten <strong>in</strong> e<strong>in</strong>en e<strong>in</strong>zigen<br />

OPC-UA-Server zu <strong>in</strong>tegrieren. Damit kann beispielsweise<br />

e<strong>in</strong> Messgerät für Temperatur als e<strong>in</strong> Objekt mit<br />

se<strong>in</strong>em Temperaturwert, Alarmparametern sowie<br />

Alarmgrenzen dargestellt werden. Dies zeigt Bild 3.<br />

OPC UA <strong>in</strong>tegriert und vere<strong>in</strong>heitlicht die unterschiedlichen<br />

Adressräume und die Schnittstellen zum Zugriff,<br />

sodass OPC-UA-Anwendungen nur noch e<strong>in</strong>e<br />

Schnittstelle zum Navigieren benötigen.<br />

Um die Interoperabilität von Clients und Servern zu<br />

för<strong>der</strong>n, ist <strong>der</strong> UA-Adressraum hierarchisch aufgebaut;<br />

die oberen Ebenen s<strong>in</strong>d für alle Server standardisiert.<br />

Alle Knoten im Adressraum lassen sich über die Hierarchie<br />

erreichen, können aber untere<strong>in</strong>an<strong>der</strong> zusätzliche<br />

Referenzen haben, sodass <strong>der</strong> Adressraum e<strong>in</strong><br />

zusammenhängendes Netzwerk von Knoten bildet. Im<br />

Adressraum von OPC UA s<strong>in</strong>d nicht nur Instanzen (Instanzraum),<br />

son<strong>der</strong>n auch die Typen <strong>der</strong> Instanzen<br />

(Typ raum) enthalten.<br />

View Service Set – Der Client kann damit durch den<br />

Adressraum (o<strong>der</strong> Teile davon) browsen, also <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />

Hierarchie auf und ab navigieren o<strong>der</strong> Verweisen zwischen<br />

Knoten folgen. Das Set erlaubt dem Client auch,<br />

die Struktur des Adressraums zu erkunden.<br />

Attribute Service Set – Attribute def<strong>in</strong>ieren die Merkmale<br />

von Knoten. Diese Dienste ermöglichen dem Client<br />

das Lesen und Schreiben von Attributen.<br />

Method Service Set – Methoden repräsentieren Funktionsaufrufe<br />

an Objekte. Sie können mit diesen Diensten<br />

ausgeführt werden.<br />

Monitored Item Service Set – Mit diesen Diensten<br />

kann e<strong>in</strong>gestellt werden, welche Attribute aus dem<br />

Adressraum für e<strong>in</strong>en Client auf Wertän<strong>der</strong>ungen überwacht<br />

werden sollen o<strong>der</strong> an welchen Events <strong>der</strong> Client<br />

<strong>in</strong>teressiert ist.<br />

Subscription Service Set – Damit können für MonitoredItems<br />

Mitteilungen erzeugt, verän<strong>der</strong>t o<strong>der</strong> gelöscht<br />

werden.<br />

Query Service Set – Diese Dienste erlauben dem Client,<br />

Knoten nach bestimmten Filterkriterien aus dem<br />

Adressraum auszuwählen.<br />

1.2 Integrierte Dienste<br />

OPC UA def<strong>in</strong>iert die notwendigen Dienste (Services),<br />

um durch den Namensraum zu navigieren, Variablen<br />

zu lesen o<strong>der</strong> zu beschreiben o<strong>der</strong>, um sich für Datenän<strong>der</strong>ungen<br />

und Events anzumelden.<br />

Die OPC-UA-Dienste werden <strong>in</strong> logischen Gruppierungen<br />

organisiert, die als Service-Sets bezeichnet werden.<br />

Dienstanfrage und Antwort werden durch Austausch<br />

von Nachrichten zwischen Clients und Servern<br />

übermittelt.<br />

Der Austausch <strong>der</strong> OPC-UA-Nachrichten erfolgt entwe<strong>der</strong><br />

über e<strong>in</strong> OPC-spezifisches b<strong>in</strong>äres Protokoll auf<br />

TCP/IP o<strong>der</strong> als WebService. Anwendungen werden<br />

meist beide Schnittstellenarten zur Verfügung stellen,<br />

sodass <strong>der</strong> Anlagenbetreiber die am besten geeignete Art<br />

wählen kann. OPC UA stellt neun Basis-Service-Sets zur<br />

Verfügung. Im Folgenden werden die Sets kurz beschrieben.<br />

Da nicht alle Server alle Service Sets verwenden,<br />

lässt sich über ihre Profile abfragen, welche Dienste sie<br />

unterstützen. Profile werden hier nicht näher betrachtet.<br />

Secure Channel Service Set – Der Client kann damit<br />

die Sicherheitskonfiguration des Servers abfragen und<br />

e<strong>in</strong>en Kommunikationskanal e<strong>in</strong>richten, bei dem die<br />

Vertraulichkeit und die Vollständigkeit (Integrität) <strong>der</strong><br />

ausgetauschten Meldungen garantiert ist. Diese Dienste<br />

werden nicht direkt <strong>in</strong> <strong>der</strong> UA-Applikation implementiert,<br />

son<strong>der</strong>n vom verwendeten Kommunikations-<br />

Stack zur Verfügung gestellt.<br />

Session Service Set – Dient zum Erstellen e<strong>in</strong>er benutzerspezifischen<br />

Verb<strong>in</strong>dung zwischen Client und<br />

Server.<br />

Node Management Service Set – Ermöglicht die Konfiguration<br />

e<strong>in</strong>es Servers. Der Client kann Knoten (Nodes)<br />

im Adressraum h<strong>in</strong>zufügen, än<strong>der</strong>n o<strong>der</strong> löschen.<br />

1.3 Redundanz<br />

Unterstützung redundanter Server<br />

OPC UA def<strong>in</strong>iert Mechanismen, um redundante Server<br />

zu erkennen und – je nach Redundanzklasse (cold,<br />

warm, hot) – e<strong>in</strong>e Umschaltung zu erkennen o<strong>der</strong> zu<br />

veranlassen. E<strong>in</strong> redundanter Server besteht aus zwei<br />

o<strong>der</strong> mehr Servern. Abhängig von <strong>der</strong> Anzahl <strong>der</strong> Server<br />

wird <strong>der</strong> redundante Server als redundantes Paar<br />

o<strong>der</strong> als redundantes Set bezeichnet.<br />

Um als redundanter Server zu gelten, müssen alle<br />

Server im redundanten Set Zugang zu denselben Datenobjekten<br />

o<strong>der</strong> e<strong>in</strong>er Teilmenge dieser Objekte haben<br />

und dieselbe Kennung für diese Objekte nutzen. So<br />

können Clients nach e<strong>in</strong>er Umschaltung weiterarbeiten<br />

und auf dieselben Objekte unter Nutzung <strong>der</strong>selben<br />

Kennung zugreifen.<br />

Alle Server im redundanten Set müssen die für<br />

OPC UA def<strong>in</strong>ierten Redundanzobjekte unterstützen.<br />

Diese Objekte identifizieren Server <strong>in</strong> redundanten Sets<br />

und liefern Laufzeit- und Diagnose<strong>in</strong>formation über<br />

Redundanzoperationen. Diese Objekte ermöglichen<br />

ebenso die Standort-spezifische Konfiguration von Redundanzparametern.<br />

Außerdem unterstützen alle redundanten<br />

Server e<strong>in</strong>en Backup-Modus. Er def<strong>in</strong>iert<br />

die Möglichkeit des Servers, schnell umzuschalten.<br />

Unterstützung redundanter Clients<br />

Alle OPC-UA-Server unterstützen redundante Clients<br />

unabhängig davon, ob sie selbst redundant s<strong>in</strong>d o<strong>der</strong><br />

nicht. Die Unterstützung redundanter Clients wird<br />

durch drei Fähigkeiten gewährleistet.<br />

Erstens: Subskriptionen, die Daten und Ereignisse<br />

liefern, existieren unabhängig von <strong>der</strong> Session zwischen<br />

Client und Server. Das bedeutet, dass von e<strong>in</strong>em<br />

46<br />

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

6 / 2014


Client erstellte Subskriptionen nicht sofort beendet<br />

werden, wenn e<strong>in</strong> Client unerwartet beendet wird.<br />

Zweitens: Server führen e<strong>in</strong>e Liste aktiver Clients, <strong>in</strong><br />

<strong>der</strong> sich redundante Clients registrieren können. Wenn<br />

e<strong>in</strong> redundanter Client <strong>in</strong>formiert wird, dass sich se<strong>in</strong><br />

primärer Client vom Server getrennt hat, kann <strong>der</strong> redundante<br />

Client die Rolle des primären Clients übernehmen.<br />

Drittens: Um die Umschaltung im Fehlerfall zu unterstützen,<br />

kann die Adresse, an welche e<strong>in</strong>e Subskription<br />

die Daten und Ereignisse liefert, vom Client neu<br />

konfiguriert werden. Deshalb kann bei Beendigung des<br />

primären Clients e<strong>in</strong> sekundärer Client die Subskription<br />

neu konfigurieren, um die Daten an den sekundären<br />

Client zu schicken.<br />

1.4 Horizontale und vertikale Integration<br />

Traditionell wurde die OPC-Kommunikation für den<br />

Austausch von Daten zwischen HMI/SCADA und Geräten<br />

<strong>der</strong> Automatisierungsebene benutzt (vertikal).<br />

Da OPC UA plattformunabhängig ist, können und<br />

werden OPC-Server und -Clients zunehmend <strong>in</strong> die<br />

Geräte <strong>der</strong> Automatisierungsebene (zum Beispiel <strong>in</strong><br />

SPS-Systeme) <strong>in</strong>tegriert. Diese Geräte kommunizieren<br />

dann direkt mite<strong>in</strong>an<strong>der</strong> (horizontal).<br />

Für die Realisierung muss zum<strong>in</strong>dest e<strong>in</strong> Teilnehmer<br />

Client-Funktionalität enthalten und entwe<strong>der</strong> Daten<br />

des Partners lesen (Lese- o<strong>der</strong> Subskribierungsdienste)<br />

o<strong>der</strong> Daten im Partnergerät beschreiben (Schreibdienste).<br />

Auch an<strong>der</strong>e OPC-UA-Dienste, wie Methodenaufrufe,<br />

s<strong>in</strong>d denkbar. Der Datenaustausch wird häufig<br />

geplant (projektiert) se<strong>in</strong>. Das heißt, dass die Geräte mit<br />

Client-Funktionalität wissen, mit welchen Servern sie<br />

<strong>in</strong> Verb<strong>in</strong>dung treten sollen und welche Daten <strong>in</strong> welcher<br />

Frequenz zu übertragen s<strong>in</strong>d.<br />

Controller als Client – MES/ERP als Server<br />

Mit OPC-UA-Client-Funktionalität übernimmt die<br />

Steuerung – zusätzlich o<strong>der</strong> alternativ zur bisherigen<br />

Rollenverteilung – auch den aktiven, führenden Part.<br />

Sie kann nach Bedarf beispielsweise Produktionsaufträge<br />

aus MES/ERP-Systemen abholen, nach Bearbeitung<br />

quittieren o<strong>der</strong>, wie erwähnt, mit an<strong>der</strong>en Steuerungen<br />

Information austauschen. Auch bei außergewöhnlichen<br />

Ereignissen eignet sich die Steuerung<br />

Informationsmodelle<br />

basierend auf OPC UA<br />

BILD 1: Das OPC-UA-Fundament<br />

Basis-OPC-UA-Informationsmodell<br />

OPC-UA-Dienste<br />

Kommunikations<strong>in</strong>frastruktur<br />

· Web Services<br />

· UA TCP<br />

OPC-UA-<br />

Metamodell<br />

· Objekte (Typen)<br />

· Variablen (Typen)<br />

· etc.<br />

BILD 2: Schichtenarchitektur für Informationsmodelle<br />

Root<br />

Field<br />

Bus<br />

Sensor<br />

Bus<br />

Areas<br />

Pressure<br />

Xmitter<br />

Valve<br />

Temp<br />

Xmitter<br />

“Located In”<br />

reference<br />

Area 1<br />

Current Value Hi Limit Lo Limit<br />

Hi Alarm Lo Alarm<br />

Area 2<br />

Area 3<br />

BILD 3:<br />

E<strong>in</strong>heitlicher<br />

Adressraum<br />

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

6 / 2014<br />

47


HAUPTBEITRAG<br />

dazu, eigenständig und spontan e<strong>in</strong>e Verb<strong>in</strong>dung aufzubauen<br />

und e<strong>in</strong>e Meldung abzusetzen.<br />

1.5 Plattform-Unabhängigkeit<br />

Im Gegensatz zu Classic OPC, das auf <strong>der</strong> DCOM-Technologie<br />

basiert und deshalb an die W<strong>in</strong>dows-Plattform<br />

und dort unterstützte Sprachen gebunden ist, wurde<br />

OPC UA von Beg<strong>in</strong>n an für den E<strong>in</strong>satz auf beliebigen<br />

Plattformen und Programmiersprachen konzipiert. Dies<br />

lässt sich mit Hilfe von Bild 4 erklären:<br />

Auf <strong>der</strong> untersten Ebene s<strong>in</strong>d das abstrakte OPC-UA-<br />

Modell und die Dienste dargestellt. Dar<strong>in</strong> enthalten<br />

s<strong>in</strong>d das gesamte Adressraummodell, verschiedene<br />

Objekt- und Variablenstrukturen, Alarme und vieles<br />

mehr.<br />

Auf <strong>der</strong> nächsten Ebene (Services B<strong>in</strong>d<strong>in</strong>g) wird spezifiziert,<br />

wie die Dienste auf bestimmte Protokolle abzubilden<br />

s<strong>in</strong>d. Zurzeit gibt es e<strong>in</strong>e Abbildung für TCP<br />

(UA-TCP) und für HTTP (OPC-UA-WebServices). In<br />

Zukunft, wenn sich neue Technologien etablieren, können<br />

weitere Abbildungen spezifiziert werden, ohne das<br />

OPC-UA-Modell und die Dienste zu än<strong>der</strong>n. Die Abbildungen<br />

basieren ausschließlich auf standardisierten<br />

Basisprotokollen, die bereits auf allen bekannten Plattformen<br />

existieren.<br />

Die folgenden Ebenen s<strong>in</strong>d Realisierungen für dedizierte<br />

Plattformen und Sprachen. Die OPC-Foundation<br />

selbst bietet ihren Mitglie<strong>der</strong>n Realisierungen für die<br />

Laufzeitumgebungen Java und .NET, sowie für AnsiC/<br />

C++. Die letzte Variante enthält e<strong>in</strong>e Plattform-Adaptionsschicht.<br />

1.6 Performance<br />

Die OPC-UA-Dienste lassen sich auf unterschiedliche<br />

Technologien abbilden. Zurzeit gibt es zwei nennenswerte<br />

Abbildungen: UA-TCP und HTTPS. Der E<strong>in</strong>satz<br />

von UA-TCP über mo<strong>der</strong>ne Ethernet-Technologien sichert<br />

sehr gute Performance-Werte, auch die Dienste<br />

selbst s<strong>in</strong>d für hohen Datendurchsatz konzipiert. E<strong>in</strong><br />

e<strong>in</strong>ziger Leseaufruf ermöglicht den Zugriff auf Tausende<br />

von Werten. Subskribierungsdienste lassen die Notifizierung<br />

bei Än<strong>der</strong>ung und Überschreitung von<br />

Schwellwerten zu.<br />

2. INFORMATIONSMODELLE MIT OPC UA<br />

2.1 Das OPC-UA-Metamodell<br />

Vorbemerkung: Das OPC-UA-Modell beschreibt, wie<br />

Clients auf Information im Server zugreifen. Es spezifiziert<br />

<strong>in</strong> ke<strong>in</strong>er Weise, wie diese Information im<br />

Server zu organisieren ist. Sie könnte zum Beispiel <strong>in</strong><br />

e<strong>in</strong>em unterlagerten Gerät o<strong>der</strong> <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Datenbank<br />

liegen.<br />

Das OPC-UA-Objektmodell def<strong>in</strong>iert e<strong>in</strong>en Satz von<br />

e<strong>in</strong>heitlichen Knotentypen, mit denen Objekte im<br />

Adressraum dargestellt werden können. Dieses Modell<br />

repräsentiert Objekte mit ihren Variablen (Daten/Eigenschaften),<br />

Methoden, Events und ihren Beziehungen zu<br />

an<strong>der</strong>en Objekten. Die Eigenschaften <strong>der</strong> Knoten werden<br />

durch OPC-def<strong>in</strong>ierte Attribute beschrieben. Attribute<br />

s<strong>in</strong>d die e<strong>in</strong>zigen Elemente e<strong>in</strong>es Servers, die Datenwerte<br />

haben. Die Datentypen <strong>der</strong> Attribute können<br />

e<strong>in</strong>fach o<strong>der</strong> auch komplex se<strong>in</strong>.<br />

OPC UA ermöglicht die Modellierung beliebiger Objekt-<br />

und Variablentypen und Beziehungen zwischen<br />

diesen. Bild 5 zeigt das Beispiel e<strong>in</strong>es Boilers <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er<br />

technologischen Ansicht und darunter das OPC-UA-<br />

Adressraummodell. Die Semantik wird vom Server im<br />

Adressraum angezeigt und kann von Clients (beim Navigieren)<br />

erfasst werden. Typdef<strong>in</strong>itionen können standardisiert<br />

o<strong>der</strong> herstellerspezifisch se<strong>in</strong>. Je<strong>der</strong> Typ wird<br />

von <strong>der</strong> Organisation identifiziert, die für se<strong>in</strong>e Def<strong>in</strong>ition<br />

verantwortlich ist.<br />

2.2 Generische OPC-UA-Informationsmodelle<br />

Modelle für allgeme<strong>in</strong>gültige Information (zum Beispiel<br />

Alarme o<strong>der</strong> Automatisierungsdaten) s<strong>in</strong>d bereits<br />

durch OPC spezifiziert. An<strong>der</strong>e Informationsmodelle<br />

leiten sich davon ab, um die allgeme<strong>in</strong>en Def<strong>in</strong>itionen<br />

weiter zu spezialisieren. Clients, die die allgeme<strong>in</strong>en<br />

Modelle verstehen, können daher <strong>in</strong> gewissem Umfang<br />

die spezialisierten Modelle bearbeiten.<br />

Data Access (DA)<br />

Data Access, kurz DA beschreibt die Modellierung von<br />

Automatisierungsdaten. Es be<strong>in</strong>haltet unter an<strong>der</strong>em<br />

die Def<strong>in</strong>ition von analogen und diskreten Variablen,<br />

Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g Units und Quality Codes. Datenquellen<br />

s<strong>in</strong>d beispielsweise Sensoren, <strong>Regler</strong>, Positionsgeber<br />

und können entwe<strong>der</strong> über direkt am Gerät liegende<br />

I/O o<strong>der</strong> über serielle Verb<strong>in</strong>dungen und Feldbusse angeschlossen<br />

werden, wenn diese sich auf entfernt liegenden<br />

Geräten bef<strong>in</strong>den.<br />

Alarms and Conditions<br />

Dieses Informationsmodell def<strong>in</strong>iert, wie Zustände (Dialoge,<br />

Alarme) gehandhabt werden. E<strong>in</strong>e Zustandsän<strong>der</strong>ung<br />

löst e<strong>in</strong> Event aus. Clients können sich für solche<br />

Events anmelden und auswählen, welche <strong>der</strong> verfügbaren<br />

Begleitwerte sie als Teil des Event-Reports<br />

erhalten wollen (zum Beispiel Meldungstext, Quittierverhalten).<br />

Historical Access (HA)<br />

HA ermöglicht dem Client Zugriff auf historische Variablenwerte<br />

und Events. Er kann diese Daten lesen,<br />

schreiben o<strong>der</strong> än<strong>der</strong>n. Die Daten können sich <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er<br />

Datenbank, <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Archiv o<strong>der</strong> <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em an<strong>der</strong>en<br />

Speicher bef<strong>in</strong>den. Vielfältige Aggregatfunktionen erlauben<br />

e<strong>in</strong>e Vorverarbeitung im Server.<br />

48<br />

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

6 / 2014


BILD 5:<br />

Beispiel e<strong>in</strong>es<br />

Boilers und<br />

se<strong>in</strong>er OPC-UA-<br />

Modellierung<br />

Tool or<br />

Language<br />

Dependent<br />

(e.g. .NET)<br />

API<br />

Proxy/<br />

Stubs<br />

Services B<strong>in</strong>d<strong>in</strong>g<br />

Boiler1<br />

Pipe1001<br />

FlowTo<br />

Drum1001<br />

FT1001<br />

Valve1001<br />

DataItem<br />

DataItem<br />

Signal<br />

Signal<br />

Measurement<br />

ControlOut<br />

Setpo<strong>in</strong>t<br />

FC1001<br />

LC1001<br />

Abstract UA Model<br />

Specification<br />

FlowTo<br />

Pipe1002<br />

LI1001<br />

DataItem<br />

Signal<br />

Signal<br />

Measurement<br />

ControlOut<br />

Executes<br />

BILD 4: OPC-UA-Modelle und -Dienste s<strong>in</strong>d<br />

unabhängig von konkreter Technologie.<br />

FT1002<br />

DataItem<br />

Signal<br />

Signal<br />

Signal<br />

Setpo<strong>in</strong>t<br />

Input1<br />

Input2<br />

CC1001<br />

Executes<br />

Executes<br />

Input3<br />

ControlOut<br />

ControlModule<br />

Programs<br />

E<strong>in</strong> ‚Program‘ repräsentiert e<strong>in</strong>e komplexe Aufgabe, wie<br />

den Betrieb und die Bedienung von Batch-Prozessen.<br />

Es stellt sich durch e<strong>in</strong>en Zustandsautomaten dar; die<br />

Zustandsübergänge lösen Meldungen an den Client aus.<br />

2.3 Technologiespezifische Informationsmodelle<br />

Etliche Standardisierungsgremien <strong>der</strong> Leittechnik/<br />

Automatisierungstechnik erstellen technologiespezifische<br />

Informationsmodelle. Beispiele s<strong>in</strong>d<br />

IEC 61804 (EDDL), ISA SP 103 (Field Device Tool),<br />

ISA-S88, ISA-S95, und IEC TC 57 (CIM). Diese Spezifikationen<br />

s<strong>in</strong>d wichtig, da sie jeweils die Bezeichnungen<br />

von E<strong>in</strong>heiten, Relationen und Arbeitsabläufen<br />

bestimmter Wissensgebiete vere<strong>in</strong>heitlichen.<br />

Schon frühzeitig hat die OPC Foundation bei <strong>der</strong><br />

Entwicklung des neuen Standards auf die Zusammenarbeit<br />

mit an<strong>der</strong>en Organisationen gesetzt. In<br />

Arbeitsgruppen werden Abbildungsregeln für <strong>der</strong>en<br />

Informationsmodelle auf OPC UA spezifiziert (= Companion-Standards).<br />

Zurzeit handelt es sich um folgende<br />

Companion-Standards:<br />

OPC UA for Devices [5] (auch als IEC 62541-100)<br />

OPC UA for Analyser Devices [6]<br />

OPC UA for Field Device Integration [7]<br />

OPC UA for Programmable Controllers<br />

based on IEC 61131-3 [8]<br />

OPC UA for Enterprise and Control Systems<br />

based on ISA-S95 [9]<br />

OPC UA for Mach<strong>in</strong>e Tool Connectivity<br />

(MTConnect)<br />

3. SECURITY-MODELL<br />

Bei OPC UA ist Security e<strong>in</strong>e elementare Anfor<strong>der</strong>ung<br />

und sie wurde daher <strong>in</strong> die Architektur <strong>in</strong>te-<br />

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

6 / 2014<br />

49


HAUPTBEITRAG<br />

User<br />

it<br />

Client Plattform<br />

Client Anwendung<br />

User security token<br />

Serv<br />

er Plattform<br />

Serv<br />

eranwendung<br />

Autorisierung<br />

und Zugangssteuerung<br />

Serv<br />

er<br />

Obj<br />

ekte<br />

T<br />

Comms<br />

BILD 6:<br />

Ebenen <strong>der</strong><br />

OPC-UA-Security-<br />

Architektur<br />

griert. Die Mechanismen (vergleichbar mit dem Secure-Channel-<strong>Konzept</strong><br />

<strong>der</strong> W3C) basieren auf e<strong>in</strong>er<br />

detaillierten Analyse <strong>der</strong> Bedrohungen. OPC-UA-<br />

Security befasst sich mit <strong>der</strong> Authentifizierung von<br />

Clients und Servern, <strong>der</strong> Integrität und Vertraulichkeit<br />

<strong>der</strong> ausgetauschten Nachrichten und <strong>der</strong> Prüfbarkeit<br />

von Funktionsprofilen. OPC-UA-Security<br />

ergänzt die von den meisten webfähigen Plattformen<br />

bereitgestellte Sicherheits<strong>in</strong>frastruktur. Sie basiert<br />

auf <strong>der</strong> <strong>in</strong> Bild 6 gezeigten Architektur. Die drei Ebenen<br />

s<strong>in</strong>d User Security, Application Security und<br />

Transport Security.<br />

Die Mechanismen <strong>der</strong> OPC UA User Level Security<br />

werden e<strong>in</strong>malig beim Aufbau e<strong>in</strong>er Sitzung durchlaufen.<br />

Der Client übermittelt an den Server e<strong>in</strong> verschlüsseltes<br />

Security Token, das den Benutzer identifiziert.<br />

Der Server authentifiziert den Benutzer anhand des<br />

Tokens und autorisiert danach den Zugang zu Objekten<br />

im Server. Autorisierungsmechanismen wie Access<br />

Control Lists werden <strong>in</strong> <strong>der</strong> OPC-UA-Spezifikation<br />

nicht def<strong>in</strong>iert. Sie s<strong>in</strong>d anwendungs- und/o<strong>der</strong> systemspezifisch.<br />

OPC UA Application Level Security ist ebenfalls Teil<br />

des Sitzungsaufbaus und umfasst den Austausch digital<br />

signierter Zertifikate. Instanzzertifikate identifizieren<br />

die konkrete Installation. Softwarezertifikate identifizieren<br />

die Client- und Server-Software sowie die<br />

implementierten OPC-UA-Profile. Sie beschreiben Fähigkeiten<br />

des Servers, wie die Unterstützung e<strong>in</strong>es spezifischen<br />

Informationsmodells.<br />

Transport Level Security lässt sich e<strong>in</strong>setzen, um die<br />

Integrität mit dem Signieren von Nachrichten zu gewährleisten<br />

und die Vertrautheit durch das Verschlüsseln.<br />

Das verh<strong>in</strong><strong>der</strong>t die Offenlegung und sichert die<br />

Unversehrtheit <strong>der</strong> übertragenen Information.<br />

Die UA-Sicherheitsmechanismen s<strong>in</strong>d als Teil <strong>der</strong><br />

OPC UA Stacks realisiert, das heißt, sie gehören zum<br />

von <strong>der</strong> OPC Foundation bereitgestellten Softwarepaket,<br />

sodass Client und Server diese lediglich anwenden<br />

müssen.<br />

3.1 Skalierbare Security<br />

Security-Mechanismen benötigen Rechenleistung und<br />

bee<strong>in</strong>trächtigen damit die Performance. Security sollte<br />

daher nur dort zur Anwendung kommen, wo sie benötigt<br />

wird. Diese Entscheidung sollte nicht <strong>der</strong> Entwickler/Produktmanager<br />

treffen, son<strong>der</strong>n <strong>der</strong> Anlagenbetreiber<br />

(Systemadm<strong>in</strong>istration).<br />

Die OPC-UA-Security-Mechanismen s<strong>in</strong>d skalierbar<br />

konzipiert. OPC-UA-Server stellen Endpo<strong>in</strong>ts bereit, die<br />

unterschiedliche Security-Stufen repräsentieren, unter<br />

an<strong>der</strong>em e<strong>in</strong>en Endpo<strong>in</strong>t ohne Security (NoSecurity-<br />

Profil). In e<strong>in</strong>er Anlage kann nun <strong>der</strong> Adm<strong>in</strong>istrator<br />

bestimmte Endpo<strong>in</strong>ts vollständig abschalten (zum Bei-<br />

AUTOREN<br />

KARL-HEINZ DEIRETS BACHER<br />

(geb. 1952) ist seit 1971 bei<br />

Siemens <strong>in</strong> verschiedenen<br />

Forschungs- und Entwicklungsthemen<br />

tätig, <strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e<br />

bei Betriebssystemen und<br />

Kommunikationstechnologien<br />

für die <strong>in</strong>dustrielle Automatisierung.<br />

Seit Ende <strong>der</strong> 1990er-<br />

Jahre vertritt er Siemens <strong>in</strong> technischen Gremien<br />

<strong>der</strong> OPC Foundation; seit 2011 leitet er das OPC<br />

Technical Advisory Council (TAC). Derzeitige<br />

Position: Pr<strong>in</strong>cipal Eng<strong>in</strong>eer für das Themengebiet<br />

Internet Communication.<br />

Siemens AG,<br />

Sector Industry, Gleiwitzerstraße 555,<br />

D-90470 Nürnberg, Tel. +49 (0) 911 895 21 29,<br />

E-Mail: karl.deiretsbacher@siemens.com<br />

50<br />

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

6 / 2014


spiel den mit dem NoSecurity-Profil). Im Betrieb kann<br />

aber auch durch den Operator e<strong>in</strong>es OPC-UA-Clients<br />

<strong>der</strong> für die jeweilige Aktion geeignete Endpo<strong>in</strong>t beim<br />

Verb<strong>in</strong>dungsaufbau gewählt werden. Nicht zuletzt können<br />

OPC-UA-Clients selbst sicherstellen, dass sie für<br />

den Zugriff auf sensible Daten immer Endpo<strong>in</strong>ts mit<br />

Security wählen.<br />

3.2 Secure Channel<br />

Mit dem Secure Channel lassen sich <strong>der</strong> Security Mode<br />

und die Security Policy festlegen. Der Security Mode<br />

beschreibt, wie die Nachrichten verschlüsselt werden.<br />

Es gibt die von OPC UA def<strong>in</strong>ierten drei Möglichkeiten:<br />

None, Sign und Sign-and-encrypt. Die Security Policy<br />

def<strong>in</strong>iert Algorithmen zum Verschlüsseln <strong>der</strong> Nachrichten.<br />

Für das E<strong>in</strong>richten benötigt <strong>der</strong> Client den öffentlichen<br />

Schlüssel des Server-Instanz-Zertifikats. Der<br />

Client übergibt danach se<strong>in</strong> eigenes Instanz-Zertifikat,<br />

anhand dessen <strong>der</strong> Server entscheidet, ob er dem Client<br />

vertraut.<br />

3.3 Log-Over<br />

Das Log-Over ist e<strong>in</strong> verbreitetes Verfahren <strong>in</strong> <strong>der</strong> Automatisierung.<br />

In e<strong>in</strong>em typischen Szenario hat Benutzer<br />

A mit bestimmten Befugnissen e<strong>in</strong>e OPC-UA-Session<br />

etabliert. Für spezielle Aufgaben, die erweiterte<br />

Befugnisse erfor<strong>der</strong>n, muss sich nun e<strong>in</strong> an<strong>der</strong>er Benutzer<br />

B die Session aneignen. Für dieses Log-Over ist<br />

e<strong>in</strong>e erneute Passwort-E<strong>in</strong>gabe erfor<strong>der</strong>lich.<br />

OPC UA unterstützt diesen Use-Case mit dem Activate-Session-Dienst.<br />

Dabei wird <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er laufenden Session<br />

<strong>der</strong> Berechtigungsnachweis für e<strong>in</strong>en neuen Benutzer<br />

gemeldet. Dieser neue Benutzer ersetzt nun den<br />

bisherigen Benutzer. Sollen die Befugnisse wie<strong>der</strong> an<br />

den bisherigen Operator übertragen werden, ist e<strong>in</strong> erneutes<br />

Log-Over (e<strong>in</strong> erneuter Aufruf des Activate-<br />

Session-Dienstes) erfor<strong>der</strong>lich. Dieses Verfahren eignet<br />

sich genauso für den Schichtwechsel zwischen Operatoren<br />

mit gleichen Befugnissen.<br />

FAZIT<br />

In <strong>der</strong> Diskussion um Industrie 4.0 werden die technischen<br />

Aspekte noch sehr rudimentär behandelt. Jedoch<br />

lässt sich bereits feststellen, dass die Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

bei Themen wie Kommunikation, Datenaustausch,<br />

horizontale und vertikale Integration durch OPC UA<br />

erfüllt beziehungsweise unterstützt werden und dies<br />

somit e<strong>in</strong>er <strong>der</strong> gesuchten Standards werden kann und<br />

sollte. OPC UA stellt Protokoll und Dienste bereit (das<br />

Wie), um reichhaltige Informationsmodelle (das Was)<br />

zu publizieren und komplexe Daten zwischen unabhängig<br />

entwickelten Anwendungen auszutauschen. Es<br />

gibt bereits mehrere für OPC UA zugeschnittene Objektmodelle.<br />

Diese s<strong>in</strong>d um die bei Industrie 4.0 zusätzlich<br />

benötigte Information zu ergänzen.<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

10.02.2014<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

REFERENZEN<br />

Dr.-Ing. WOLFGANG MAHNKE<br />

(geb. 1971) studierte Informatik<br />

an <strong>der</strong> Universität Stuttgart<br />

und promovierte an <strong>der</strong><br />

TU Kaiserslautern im Bereich<br />

Datenbanken und Informationssysteme.<br />

Von 2004 bis<br />

2012 arbeitete er als Wissenschaftler<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> Konzernforschung<br />

von ABB, seit 2012 als Software-Architekt<br />

bei <strong>der</strong> ABB Automation GmbH. Schwerpunkt<br />

se<strong>in</strong>er Arbeit bei ABB ist die Architektur von<br />

Leitsystemen.<br />

ABB Automation GmbH,<br />

Kallstadter Straße 1, D-68309 Mannheim,<br />

Tel. +49 (0) 621 381 17 82,<br />

E-Mail: wolfgang.mahnke@de.abb.com<br />

[1] OPC Foundation: OPC UA Specification: Part 1 –<br />

Concepts.Version 1.01<br />

[2] Mahnke, W., Leitner, S.-H., Damm, M.: OPC Unified Architecture,<br />

Spr<strong>in</strong>ger, 2009<br />

[3] IEC 62541 series: OPC Unified Architecture, Part 1-10,<br />

Edition 1.0, 2010<br />

[4] Promotorengruppe Kommunikation <strong>der</strong> Forschungsunion<br />

Wirtschaft – Wissenschaft: Umsetzungsempfehlungen für das<br />

Zukunftsprojekt Industrie 4.0 Abschlussbericht, April 2013<br />

[5] OPC Foundation: OPC UA for Devices – Companion Specification,<br />

Version 1.01, 2013<br />

[6] OPC Foundation: OPC UA for Analyser Devices – Companion<br />

Specification, Version 1.1, 2013<br />

[7] FDI Cooperation: FDI-2021-2027 FDI Technical Specification,<br />

Version 0.9, 2013<br />

[8] PLCOpen / OPC Foundation: OPC UA for IEC 61131-3 –<br />

Companion Specification, Version 1.0, 2010<br />

[9] OPC Foundation: OPC UA for ISA-95 Common Object Model –<br />

Companion Specification, Version 1.0, 2013<br />

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

6 / 2014<br />

51


HAUPTBEITRAG | NAMUR-HAUPTSITZUNG<br />

Virtuelle Inbetriebnahme<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> Prozess<strong>in</strong>dustrie<br />

Effektives Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g und früher Start-up<br />

Trotz kurzer Abwicklungzeiten, beschränkter Ressourcen und komplexer Systemfunktionalitäten<br />

ist es durch Simulation möglich, höhere Qualitätsstandards bei<br />

Automatisierungsapplikationen zu erzielen. Simulation, und damit die virtuelle<br />

Inbetriebnahme, ist e<strong>in</strong> Kernelement <strong>der</strong> Vision des <strong>in</strong>tegrierten Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>gs, da<br />

sich so mehr Effizienz <strong>in</strong> <strong>der</strong> Planung und beim Betrieb von Anlagen erreichen lässt.<br />

Der Beitrag beschreibt, wie durch die Umsetzung e<strong>in</strong>er virtuellen Inbetriebnahme<br />

<strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Batch-Anlage e<strong>in</strong> effektives Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g und e<strong>in</strong> früherer Start-up erreicht<br />

werden konnte.<br />

SCHLAGWÖRTER Simulation / Inbetriebnahme / Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g / Namur<br />

Virtual Commission<strong>in</strong>g <strong>in</strong> the Process Industry –<br />

Effective Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g and Quicker Start-ups<br />

Simulation is a strategic lever that can be used to achieve a high quality standard<br />

despite the challenges of tighter project schedules, limited resources and more complex<br />

systems and functionalities. Simulation, <strong>in</strong> particular virtual commission<strong>in</strong>g,<br />

is an enabler <strong>in</strong> the vision of <strong>in</strong>tegrated eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g, as it allows for a more efficient<br />

eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g workflow. This article describes how implement<strong>in</strong>g virtual commission<strong>in</strong>g<br />

<strong>in</strong> a batch plant can lead to more effective eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g and an earlier start-up.<br />

KEYWORDS simulation / commission<strong>in</strong>g / eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g / Namur<br />

52<br />

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

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RACHEL CHAN, MICHAEL KRAUSS, BASF<br />

Das Ziel <strong>der</strong> Automatisierungstechnik ist, neben<br />

<strong>der</strong> Entlastung <strong>der</strong> Menschen von gefährlichen<br />

und anstrengenden Tätigkeiten e<strong>in</strong>e<br />

bessere Produktqualität und e<strong>in</strong>e höhere Leistungsfähigkeit<br />

von Masch<strong>in</strong>en und Apparaten<br />

zu realisieren [1]. Dabei hat die Automatisierungstechnik<br />

<strong>in</strong> den vergangenen Jahren von Fortschritten<br />

aus Bereichen wie Elektrotechnik, Elektronik, Informationstechnik<br />

und <strong>der</strong> <strong>in</strong>terdiszipl<strong>in</strong>ären Komb<strong>in</strong>ation<br />

verschiedener Themenfel<strong>der</strong> profitiert. Trotzdem gilt,<br />

dass mit <strong>der</strong> Komplexität e<strong>in</strong>es Systems <strong>der</strong> Schwierigkeitsgrad<br />

ansteigt, um dieses beherrschbar zu machen.<br />

Obgleich also stetig weniger manuelle Arbeitskraft benötigt<br />

wird, s<strong>in</strong>d umso mehr qualifizerte Arbeitskräfte<br />

notwendig, um Projekte erfolgreich durchzuführen.<br />

Diese Herausfor<strong>der</strong>ungen drängen die Industrie dazu,<br />

Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Prozesse zu optimieren und dies steht im<br />

Kontext zu den Initiativen im Bereich Industrie 4.0.<br />

Simulation [2] kann e<strong>in</strong> Werkzeug se<strong>in</strong>, um trotz <strong>der</strong><br />

Herausfor<strong>der</strong>ung durch knapper werdende Ressourcen<br />

e<strong>in</strong> hohes Maß an Qualitätssicherung zu erreichen: Auf<br />

e<strong>in</strong>er Simulationsplattform lassen sich umfangreiche<br />

Prüfungen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er virtuellen Umgebung durchführen,<br />

um die Risiken während <strong>der</strong> Inbetriebnahme (IBN) und<br />

im laufenden Betrieb zu reduzieren.<br />

Die virtuelle Inbetriebnahme (VIBN) ist ke<strong>in</strong> neues<br />

Thema <strong>in</strong> <strong>der</strong> Industrie, und im Bereich <strong>der</strong> Chemie<br />

gew<strong>in</strong>nt sie immer mehr an Bedeutung. Bei BASF wurden<br />

erste Schritte im Bereich virtuelle Inbetriebnahme<br />

für Batch-Anlagen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Prozessleitsystem-Migrationsprojekt<br />

unternommen, um e<strong>in</strong>e kurze Umschlusszeit<br />

gewährleisten zu können; die Software-Applikation<br />

wurde <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er virtuellen Anlage mit e<strong>in</strong>em vere<strong>in</strong>fachten<br />

Prozessmodell getestet.<br />

1. VIRTUELLE INBETRIEBNAHME UND IHRE VORTEILE<br />

Die Phase <strong>der</strong> Inbetriebnahme dient dazu sicherzustellen,<br />

dass alle Systeme und Komponenten gemäß Betreiberanfor<strong>der</strong>ungen<br />

konfiguriert, <strong>in</strong>stalliert und implementiert<br />

s<strong>in</strong>d. In dieser Zeit s<strong>in</strong>d die Automatisierungskomponenten<br />

schon <strong>in</strong> <strong>der</strong> Anlage beziehungsweise im<br />

Feld vorhanden. Die Abnahme <strong>der</strong> Automatisierungsapplikation<br />

wurde im Vorfeld <strong>der</strong> Inbetriebnahme bereits<br />

<strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Factory Acceptance Test (FAT) [2] durchgeführt.<br />

Loop Checks wurden vorgenommen, um die<br />

Signalübertragung zu prüfen und dafür zu sorgen, dass<br />

das System wie geplant funktioniert.<br />

In dieser Phase trifft die digitale Welt auf die Realität<br />

und viele Fehler und Daten<strong>in</strong>konsistenzen, die<br />

nicht <strong>in</strong> dem FAT erkannt wurden, treten hier zu Tage.<br />

Diese Fehler werden jedoch oft zu spät erkannt, um<br />

sie rechtzeitig vor dem geplanten Anfahren zu korrigieren<br />

[3]. Das Anfahren <strong>der</strong> Anlage wird dadurch<br />

verzögert, und dies führt zu e<strong>in</strong>em Produktionsverlust<br />

<strong>der</strong> Anlage. Daher gilt die Regel: Je später e<strong>in</strong> Fehler<br />

gefunden wird, desto aufwendiger ist es, diesen zu<br />

beheben, siehe Bild 1.<br />

Die virtuelle Inbetriebnahme hat das gleiche Ziel wie<br />

e<strong>in</strong>e reale Inbetriebnahme mit dem Unterschied, dass<br />

die Prüfungen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er virtuellen Anlage durchgeführt<br />

werden. Die Grundidee ist das Testen <strong>der</strong> Automatisierungsapplikation,<br />

die entwe<strong>der</strong> e<strong>in</strong>e neu konfigurierte<br />

Software o<strong>der</strong> e<strong>in</strong>e kle<strong>in</strong>ere Anlagenän<strong>der</strong>ung darstellen<br />

kann, <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er virtuellen Umgebung vor Installation<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> realen Anlage. Softwarefehler, die <strong>in</strong> dem traditionellen<br />

FAT nicht gefunden wurden, werden hier<br />

erkannt und korrigiert und somit ist <strong>der</strong> Zeitanteil zur<br />

Suche und Beseitigung <strong>der</strong> Fehler <strong>in</strong> <strong>der</strong> realen Inbetriebnahme<br />

e<strong>in</strong>gespart.<br />

1.1 Technik <strong>der</strong> virtuellen Inbetriebnahme<br />

E<strong>in</strong> Prozessleitsystem besteht aus verschiedenen Komponenten,<br />

den Anzeige- und Bedienkomponenten<br />

(ABK), den prozessnahen Komponenten (PNK) und den<br />

E<strong>in</strong>- und Ausgangssignalen (E/A-Signale). Diese Komponenten<br />

s<strong>in</strong>d über konventionell verdrahtete E/A-<br />

Komponenten o<strong>der</strong> Feldbussysteme mit den Feldgeräten<br />

verbunden. Die ABK s<strong>in</strong>d die Schnittstelle zum Menschen<br />

und stellen den Zustand des Systems dar. Manuelle<br />

E<strong>in</strong>griffe werden hier vorgenommen, von den PNK<br />

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HAUPTBEITRAG | NAMUR-HAUPTSITZUNG<br />

verarbeitet und an die Feldgeräte übermittelt. Während<br />

die PNK das Gehirn des Systems bilden, s<strong>in</strong>d die E/A-<br />

Komponenten und Feldbusse das Rückenmark. Die<br />

Feldgeräte spielen <strong>in</strong> diesem Bild die Rolle <strong>der</strong> Nerven<br />

und Muskeln des Systems. Damit sich die Applikation<br />

des Systems vor dem E<strong>in</strong>spielen <strong>in</strong> das reale System<br />

testen lässt, wird das Gehirn mit e<strong>in</strong>em simulierten<br />

Körper verbunden. So ergibt sich die Möglichkeit, Störungen,<br />

kritische Situationen o<strong>der</strong> unerwartete E<strong>in</strong>gaben<br />

zu simulieren, um das System ohne Beschädigung<br />

von Personen o<strong>der</strong> <strong>der</strong> Anlage zu testen.<br />

Die virtuelle Inbetriebnahme kann entwe<strong>der</strong> als Hardware<br />

<strong>in</strong> the Loop o<strong>der</strong> Software <strong>in</strong> the Loop umgesetzt<br />

werden. Hardware <strong>in</strong> the Loop bedeutet, dass das simulierte<br />

Anlagenmodell an die realen prozessnahen Komponenten<br />

(PNK) angeschlossen ist, bei Software <strong>in</strong> the<br />

Loop wird zusätzlich die PNK emuliert, siehe Bild 2.<br />

Bei Hardware <strong>in</strong> the Loop werden die PNK über e<strong>in</strong>e<br />

Hardware-Schnittstelle an die Simulationsplattform<br />

angeschlossen, zum Beispiel mit Simba Profibus von<br />

Siemens. Das Verhalten <strong>der</strong> Profibus Slaves wird <strong>in</strong> dieser<br />

Schnittstelle simuliert und für den Profibus Master<br />

ergibt sich ke<strong>in</strong> Unterschied, ob die Slaves simuliert<br />

o<strong>der</strong> real s<strong>in</strong>d [4]. Im Vergleich zur steuerungs<strong>in</strong>ternen<br />

Simulation kann hier <strong>der</strong> Busverkehr simuliert werden,<br />

um Last- und Performancetests des Bussystems durchzuführen.<br />

Diese steuerungs<strong>in</strong>terne Simulation hat den<br />

Nachteil, dass e<strong>in</strong>e Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Hardwarekonfiguration<br />

notwendig wäre, weil das Simulationsmodell <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />

Steuerung realisiert werden muss. Dies könnte zu e<strong>in</strong>er<br />

zusätzlichen Auslastung <strong>der</strong> Steuerung führen.<br />

Software <strong>in</strong> the Loop bietet zusätzliche Vorteile: E<strong>in</strong>er<br />

davon ist die Möglichkeit, die Simulation parallel<br />

zum traditionellen FAT durchzuführen, da die PNK<br />

nicht für die VIBN erfor<strong>der</strong>lich s<strong>in</strong>d. Das wie<strong>der</strong>um<br />

heißt, dass die Gesamtzeit <strong>der</strong> FAT-Phase verkürzt wird.<br />

Des Weiteren können durch Software <strong>in</strong> the Loop längere<br />

Vorgänge <strong>in</strong> <strong>der</strong> Simulation wie Füllen, Vakuumziehen<br />

o<strong>der</strong> Temperieren künstlich beschleunigt werden,<br />

um lange Testzeiten zu vermeiden. Zudem können<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> Betriebsphase Anlagenän<strong>der</strong>ungen zunächst auf<br />

<strong>der</strong> Simulationsplattform getestet werden, bevor die<br />

Applikation auf die PNK geladen wird.<br />

1.2 Vorteile durch virtuelle Inbetriebnahme<br />

In e<strong>in</strong>em traditionellen FAT werden E<strong>in</strong>gangsparameter<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> Steuerung simuliert, um die Reaktion des Systems<br />

zu prüfen. E<strong>in</strong> Beispiel dafür ist <strong>der</strong> Test <strong>der</strong> Reihenfolge<br />

von Schrittkettenabläufen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Batch-Anlage.<br />

E<strong>in</strong> Fehler im Schrittkettenablauf könnte an <strong>der</strong><br />

Systemeigenschaft liegen, wodurch das Problem nicht<br />

durch system<strong>in</strong>terne Manipulation e<strong>in</strong>iger Parameter<br />

erkannt werden kann.<br />

Der Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Workflow kann durch den E<strong>in</strong>satz<br />

von Simulationstools verbessert werden. Frühzeitige<br />

Fehlererkennung und Korrektur bedeutet weniger Probleme<br />

und Aufwand zu e<strong>in</strong>em späteren Zeitpunkt des<br />

Workflows, <strong>der</strong> typischerweise e<strong>in</strong>e kritischere Phase<br />

des Projekts ist. Denkbar ist die Möglichkeit, im laufenden<br />

Betrieb Anlagenän<strong>der</strong>ungen und Optimierungen<br />

zu testen. Die Auswirkung <strong>der</strong> Än<strong>der</strong>ung wird<br />

früher erkannt, mögliche Schäden an <strong>der</strong> Anlage verh<strong>in</strong><strong>der</strong>t.<br />

Letztendlich können die Anlagenfahrer mittels<br />

<strong>der</strong> Simulationsplattform geschult werden. Störungen<br />

und kritische Szenarien lassen sich simulieren<br />

damit das Personal lernt, wie es auf solche Szenarien<br />

reagieren muss. Bei Migrationsprojekten können die<br />

Bediener früh e<strong>in</strong> Gefühl für das neue System bekommen<br />

und es somit nach dem Anfahren schneller und<br />

besser bedienen.<br />

1.3 Simulation als Teil von Industrie 4.0<br />

Die Visionen des Programms Industrie 4.0 können auf<br />

drei unterschiedliche Achsen projiziert werden [5]: Die<br />

horizontale Integration über Wertschöpfungsnetzwerke<br />

h<strong>in</strong>weg, die vertikale Integration mit vernetzten Produktionssystemen<br />

und die digitale Durchgängigkeit des<br />

Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>gs über den gesamten Lifecycle. Im H<strong>in</strong>blick<br />

auf den dritten Aspekt werden heute unterschiedliche<br />

Werkzeuge zur Erfüllung von aufe<strong>in</strong>an<strong>der</strong> folgenden<br />

Aufgaben, das heißt zur Anlagenplanung, -än<strong>der</strong>ung<br />

o<strong>der</strong> -erweiterung verwendet. Diese Werkzeuge, zum<br />

Beispiel verfahrenstechnische, prozessleittechnische<br />

o<strong>der</strong> betriebsbed<strong>in</strong>gte Werkzeuge, werden nicht zusammengeführt<br />

und alle Än<strong>der</strong>ungen müssen <strong>in</strong> diesen<br />

Werkzeugen mit hohem Aufwand gepflegt werden [6].<br />

Dieser Aufwand bee<strong>in</strong>flusst die Zeit für das Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g<br />

und die Instandhaltung. Hier spielt <strong>in</strong>tegriertes<br />

Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g e<strong>in</strong>e große Rolle, und dieses Thema wird<br />

<strong>in</strong> den nächsten Jahren noch mehr Aufmerksamkeit<br />

erhalten.<br />

Die genannten Herausfor<strong>der</strong>ungen bei Projekten wirken<br />

sich stark auf die Qualität <strong>der</strong> Automatisierungsapplikation<br />

aus. Die Simulation ist e<strong>in</strong> Wegweiser für<br />

das <strong>in</strong>tegrierte Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g: Simulation br<strong>in</strong>gt die beiden<br />

Welten, digital und real, früher zusammen, da sich<br />

so eher <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Projekt realitätsnahe Gegebenheiten<br />

erreichen lassen. Und falls erfor<strong>der</strong>lich, ist es möglich,<br />

das Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>gergebnis frühzeitig zu än<strong>der</strong>n o<strong>der</strong> zu<br />

optimieren. E<strong>in</strong> weiterer Anknüpfungspunkt zum <strong>in</strong>tegrierten<br />

Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g besteht, wenn es darum geht, Anlagenän<strong>der</strong>ungen<br />

im laufenden Betrieb vorzunehmen.<br />

Alle Anlagenän<strong>der</strong>ungen, die durchgeführt werden,<br />

können mittels Simulation im Vorfeld getestet werden,<br />

um die Qualität <strong>der</strong> Applikation zu gewährleisten.<br />

1.4 Status quo und Vision des <strong>in</strong>tegrierten Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>gs<br />

Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g wird von vielen Anwen<strong>der</strong>n mit <strong>der</strong> Planungsphase<br />

e<strong>in</strong>er neuen Anlage gleichgesetzt. In e<strong>in</strong>em<br />

weiter gefassten Kontext schließt Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g die Prozesse<br />

zur Dokumentation von Anlagen von <strong>der</strong> Planung<br />

bis zur Demontage mit e<strong>in</strong>.<br />

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BILD 1: Aufwand für Fehlerkorrekturen [7]<br />

BILD 2: VIBN: Hardware <strong>in</strong> the Loop und Software <strong>in</strong> the Loop<br />

Aufwand<br />

Zeit<br />

BILD 3: Vergleich des heutigen<br />

Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Workflows mit <strong>der</strong> Vision<br />

vom <strong>in</strong>tegrierten Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g<br />

BILD 4: PCS7 Steuerungen mit Simit<br />

Der auf <strong>der</strong> l<strong>in</strong>ken Seite im Bild 3 dargestellte Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Workflow<br />

ist als Wasserfallmodell bekannt [7].<br />

Alle Phasen <strong>in</strong> dem Modell werden nache<strong>in</strong>an<strong>der</strong> ausgeführt<br />

und als Folge werden Prüfungen erst bei FAT<br />

beziehungsweise IBN durchgeführt, was generell zu<br />

e<strong>in</strong>er späteren Fehlererkennung führt. Falls e<strong>in</strong>e Messstelle<br />

o<strong>der</strong> e<strong>in</strong> Typical falsch konfiguriert wurde und<br />

dieser Fehler erst bei <strong>der</strong> Inbetriebnahme entdeckt<br />

wird, müssen alle betroffenen Planungsdaten überarbeitet<br />

werden. Das Ziel vom <strong>in</strong>tegrierten Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g<br />

ist, mittels Simulation und an<strong>der</strong>er Werkzeuge paralleles<br />

Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g <strong>in</strong> allen Phasen zu erreichen. Ingenieure<br />

können <strong>in</strong> diesem Zielbild schon <strong>in</strong> den Designund<br />

Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>gsphasen <strong>Konzept</strong>e und Typicals mit<br />

den Kunden festlegen, frühzeitig testen, konkretisieren<br />

und freigeben lassen. Die Daten, die bereits <strong>in</strong> früheren<br />

Phasen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em <strong>in</strong>tegrierten System bereitstehen, können<br />

<strong>in</strong> allen Phasen des Projekts verwendet werden.<br />

Hierdurch entfällt <strong>der</strong> Aufwand für den späteren Datentransfer<br />

zwischen verschiedenen Tools und die dabei<br />

notwendige Qualitätssicherung <strong>der</strong> Daten [6]. E<strong>in</strong><br />

weiterer Vorteil ist die potenziell kürzere Abwicklungszeit<br />

von Projekten. Die Phasen werden durch paralleles<br />

Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g verkürzt; dies erfüllt die For<strong>der</strong>ung nach<br />

kurzen Time-to-Market-Zeiten [7].<br />

2. PILOTIERUNG IN EINER BATCH-ANLAGE<br />

Bei e<strong>in</strong>em Prozessleitsystem-Migrationsprojekt hat die<br />

BASF e<strong>in</strong>e virtuelle Inbetriebnahme durchgeführt, um<br />

die korrekte Funktionalität <strong>der</strong> Automatisierungsapplikation<br />

sicherzustellen. Die Migration bestand nicht nur<br />

aus e<strong>in</strong>em re<strong>in</strong>en Upgrade, son<strong>der</strong>n enthielt gleichzeitig<br />

die Optimierung <strong>der</strong> Ablaufsteuerungen sowie die<br />

E<strong>in</strong>führung e<strong>in</strong>es Batch-Systems. Dies führte zu e<strong>in</strong>er<br />

komplett neuen Planung und Konfiguration <strong>der</strong> Batch-<br />

Applikation. Aufgrund <strong>der</strong> kurzen Abstellungszeit <strong>der</strong><br />

Anlage war <strong>der</strong> Bedarf an <strong>in</strong>tensiven Tests vor <strong>der</strong> eigentlichen<br />

Inbetriebnahme sehr hoch.<br />

Die Simulationsumgebung wurde für den FAT mit allen<br />

Messstellen, die <strong>in</strong> den Schrittketten verwendet wer-<br />

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HAUPTBEITRAG | NAMUR-HAUPTSITZUNG<br />

BILD 5: Vergleich des Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-<br />

Workflows <strong>in</strong> Projekten mit und<br />

ohne VIBN: Der rote Pfeil entspricht<br />

<strong>der</strong> Zeit zur Fehlerkorrektur<br />

während <strong>der</strong> Inbetriebnahme.<br />

den, erstellt und <strong>der</strong> Test <strong>der</strong> Automatisierungsapplikation<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> virtuellen Anlage wurde parallel zum traditionellen<br />

FAT durchgeführt. Hier kam die enge Zusammenarbeit<br />

zwischen BASF, Siemens und M+W,<br />

Auftragnehmer des Migrationsprojekts, zum Tragen.<br />

2.1 Vere<strong>in</strong>fachtes Prozessmodell erstellen<br />

E<strong>in</strong>e Hardware-<strong>in</strong>-the-Loop-Architektur wurde mit<br />

dem Werkzeug Simit von Siemens aufgebaut. Die simulierten<br />

Komponenten enthalten die E/A-Signale,<br />

die Feld<strong>in</strong>strumentierungen, die Profibus-Kommunikation<br />

und e<strong>in</strong> vere<strong>in</strong>fachtes Prozessmodell. Bei <strong>der</strong><br />

Erstellung des Modells wurde e<strong>in</strong>e händische Übernahme<br />

<strong>der</strong> Anlagentopologie mit Hilfe <strong>der</strong> R&I-Fließbil<strong>der</strong><br />

<strong>in</strong>s Simulationstool durchgeführt. Wegen <strong>der</strong><br />

Kompatibilität von Siemens PCS7 mit Simit ist es<br />

möglich, beim Anlegen <strong>der</strong> Messstellen e<strong>in</strong>e automatische<br />

Konvertierung <strong>der</strong> E/A-Konfiguration durchzuführen.<br />

Die virtuelle Inbetriebnahme wurde mit e<strong>in</strong>er<br />

Wasserfahrt ohne Reaktionsk<strong>in</strong>etik betrieben, das<br />

heißt die Stoffdaten <strong>der</strong> tatsächlichen Edukte und<br />

Produkte wurden durch die von Wasser ersetzt. Damit<br />

können im Gegensatz zu e<strong>in</strong>em vollen First-Pr<strong>in</strong>ciples-Simulator<br />

nicht die exakten Messwerte erreicht<br />

und simuliert werden; allerd<strong>in</strong>gs wird die korrekte<br />

Kausalität zwischen Aktoren und Sensoren, zum Beispiel<br />

<strong>der</strong> Zusammenhang zwischen Kugelhahn,<br />

Durchflussmesser und Füllstandsmessung, hergestellt.<br />

Sollten die durch die Wasserparameter erzeugten<br />

Messvariablen Alarm- o<strong>der</strong> Transitionsgrenzen<br />

verletzen, kann zusätzlich e<strong>in</strong>e messstellenspezifische<br />

Skalierung <strong>der</strong> Simulationswerte vor Weiterleitung<br />

an die Steuerungsebene durchgeführt werden.<br />

Beson<strong>der</strong>s <strong>in</strong>teressant ist diese Möglichkeit im Zusammenhang<br />

mit <strong>der</strong> Verwendung von historischen<br />

Daten e<strong>in</strong>er Bestandsanlage.<br />

Der Hauptfokus <strong>der</strong> Simulation war das Testen <strong>der</strong><br />

Automatisierungsapplikation, sodass die Wasserfahrt<br />

<strong>in</strong> diesem Fall ausreichend war. Die Erstellung des<br />

Wasserfahrt-Modells hat <strong>in</strong> Bezug auf die Vorteile, die<br />

daraus gewonnen wurden, wenig zeitlichen und f<strong>in</strong>anziellen<br />

Aufwand verursacht.<br />

2.2 Ergebnisse des E<strong>in</strong>satzes von VIBN<br />

Trotz e<strong>in</strong>es zuvor durchgeführten 100 %-Tests während<br />

des traditionellen FAT wurden zusätzliche Fehler<br />

durch die virtuelle Inbetriebnahme entdeckt. Aufgrund<br />

<strong>der</strong> positiven Auswirkungen des Tests wurde <strong>der</strong> Umfang<br />

<strong>der</strong> virtuellen Inbetriebnahme vor <strong>der</strong> realen IBN<br />

weiter ausgedehnt. Alle Messstellen, auch die noch<br />

nicht durch Schrittketten automatisierten, wurden <strong>in</strong><br />

die Simulation aufgenommen. Außerdem wurden alle<br />

Vorortbedienungen, zum Beispiel Schlüsselschalter<br />

und Dosierfreigaben, <strong>in</strong> <strong>der</strong> Simulationsumgebung realisiert.<br />

Der Batch-Zyklus konnte vollständig gefahren<br />

werden, und wesentliche Probleme wurden dadurch<br />

aufgedeckt. Letztendlich hat das System nicht als re<strong>in</strong>er<br />

FAT-Simulator gedient, son<strong>der</strong>n war nahe an e<strong>in</strong>em<br />

Tra<strong>in</strong><strong>in</strong>gssystem für e<strong>in</strong>e e<strong>in</strong>fache Systemschulung.<br />

E<strong>in</strong>ige Fehlertypen, die gefunden wurden, s<strong>in</strong>d zum<br />

Beispiel falsch verriegelte Schrittketten, e<strong>in</strong>e falsch<br />

konfigurierte Anschaltbaugruppe und falsch def<strong>in</strong>ierte<br />

AUTOREN<br />

Bachelor of Science,<br />

RACHEL MEI PING CHAN<br />

(geb. 1986) ist seit 2010<br />

bei <strong>der</strong> BASF SE, Ludwigshafen,<br />

im Fachzentrum<br />

Automatisierungstechnik<br />

auf dem Gebiet <strong>der</strong> Prozessleittechnik<br />

tätig.<br />

Ihre Themengebiete s<strong>in</strong>d<br />

technische Evaluierung für Automatisierungslösungen<br />

und Leitsystemmigrationen.<br />

BASF SE,<br />

D-67056 Ludwigshafen,<br />

Tel. +49 (0) 621 607 42 66,<br />

E-Mail: rachel-mei-p<strong>in</strong>g.chan@basf.com<br />

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

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Grenzwerte. Beim Verriegelungsfehler wurde entdeckt,<br />

dass e<strong>in</strong>e Schrittkette nicht weiterlaufen konnte, weil<br />

e<strong>in</strong> Absperrventil falsch verriegelt wurde. Bei <strong>der</strong> Umsetzung<br />

<strong>der</strong> Schrittketten auf das PCS7 wurden Teile<br />

verschoben und Zusätze e<strong>in</strong>gebracht, was falsche Synchronisationen<br />

zur Folge hatte.<br />

Diese Fehler würden <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Projekt ohne virtuelle<br />

Inbetriebnahme erst <strong>in</strong> <strong>der</strong> Inbetriebnahme entdeckt,<br />

und es könnte länger dauern, bis die Fehlerquellen gefunden<br />

werden. Das an<strong>der</strong>e genannte Beispiel, die<br />

falsch konfigurierte Anschaltbaugruppe, wäre erst bei<br />

den Loop Checks <strong>in</strong> <strong>der</strong> Anlage gefunden worden.<br />

Dies verdeutlicht, dass nicht alle Fehler <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em traditionellen<br />

FAT gefunden werden können und dass<br />

durch die frühzeitige Entdeckung und Korrektur <strong>der</strong><br />

Fehler die Zeit bei <strong>der</strong> Inbetriebnahme wesentlich reduziert<br />

wurde. Im Fall, dass dieses Projekt ohne virtuelle<br />

Inbetriebnahme abgewickelt würde, wäre das Anfahren<br />

<strong>der</strong> Anlage verzögert worden, siehe Bild 5.<br />

Beim Projekt besteht natürlich noch Verbesserungspotenzial<br />

<strong>in</strong> verschiedenen Bereichen, zum Beispiel<br />

was die Wartezeit bei längeren Vorgängen betrifft, die<br />

<strong>in</strong> diesem ersten Projekt unterschätzt wurden. Dies<br />

könnte potenziell durch auf PCs emulierten Steuerungen<br />

verbessert werden. Die positive Erfahrung dieser<br />

Pilotierung zeigt, dass es <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Anlage mit e<strong>in</strong>er<br />

komplexen Batch-Applikation und e<strong>in</strong>em engen Projektzeitplan<br />

sehr wertvoll war, <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e virtuelle Inbetriebnahme<br />

zu <strong>in</strong>vestieren.<br />

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK<br />

Zum Bewältigen <strong>der</strong> Herausfor<strong>der</strong>ungen, wie kürzere<br />

Projektabwicklungszeiten, knappe Ressourcen, kom-<br />

plexe Funktionalitäten und Erfüllung aller Erwartungen<br />

des Kunden, ist es notwendig die virtuelle Inbetriebnahme<br />

e<strong>in</strong>zusetzen. Beim Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g von Leitsystemen<br />

ist es nicht möglich, sich unter Zeitdruck mit<br />

allen technischen Details zu beschäftigen. Daher<br />

braucht es Werkzeuge um die Planungsdaten beziehungsweise<br />

Applikationen frühzeitig zu prüfen. Durch<br />

die virtuelle Inbetriebnahme kann e<strong>in</strong>e höhere Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Qualität<br />

erreicht werden, weil Fehler früh erkannt<br />

und e<strong>in</strong>e falsche <strong>Konzept</strong>ionierung zeitnah korrigiert<br />

werden können.<br />

Mit zunehmenden Innovationen rund um Industrie 4.0<br />

und <strong>in</strong>tegriertes Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g ist zu erwarten, dass virtuelle<br />

Inbetriebnahme und an<strong>der</strong>e Werkzeuge <strong>in</strong>tegrale<br />

Bestandteile des Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Ablaufs werden.<br />

Werkzeuge und <strong>Konzept</strong>e für <strong>in</strong>tegriertes Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g<br />

werden entwickelt, um e<strong>in</strong>e e<strong>in</strong>heitliche Datenhaltung<br />

über den gesamten Lebenzyklus <strong>der</strong> Anlage h<strong>in</strong>weg<br />

zu gewährleisten. E<strong>in</strong>e Initiative <strong>in</strong> diese Richtung ist<br />

<strong>der</strong> Namur-Datenconta<strong>in</strong>er zwischen CAE und PLS.<br />

Der Conta<strong>in</strong>er wird <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Namur-Empfehlung def<strong>in</strong>iert,<br />

um die Schnittstelle zwischen CAE und PLS zu<br />

standardisieren [6]. Weiterh<strong>in</strong> lässt sich das Simulationstool<br />

im laufenden Betrieb für Anlagenän<strong>der</strong>ungen<br />

und als Systemtra<strong>in</strong><strong>in</strong>gssimulator verwenden. E<strong>in</strong><br />

nächster Schritt wäre, die <strong>in</strong> Forschungsarbeiten erfolgreich<br />

untersuchten Ansätze [2] <strong>in</strong> Produkten umzusetzen,<br />

damit Endanwen<strong>der</strong> ihre Anlagentopologie<br />

und Planungsdaten aus dem CAE-Plann<strong>in</strong>gstool per<br />

Knopfdruck <strong>in</strong> das Simulationstool laden können. Das<br />

wird die Zeit für die Modellerstellung nochmal deutlich<br />

verkürzen.<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

03.01.2014<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

REFERENZEN<br />

Dr. rer. nat. MICHAEL KRAUSS<br />

(geb. 1984) ist seit 2010 bei<br />

<strong>der</strong> BASF SE, Ludwigshafen,<br />

im Fachzentrum Automatisierungstechnik<br />

tätig.<br />

Er leitet seit 2013 das Fachgebiet<br />

DCS Technology<br />

Support. Se<strong>in</strong>e Schwerpunkte<br />

s<strong>in</strong>d Projekte auf dem Gebiet<br />

<strong>der</strong> Höherautomatisierung, Unterstützung <strong>der</strong><br />

Beschaffung von Leitsystemen und Strategien für<br />

Leitsystemmigrationen.<br />

BASF SE,<br />

D-67056 Ludwigshafen,<br />

Tel. +49 (0) 621 604 66 94,<br />

E-Mail: michael.krauss@basf.com<br />

[1] HS-Merseburg, Jan. 2014. http://www.hs-merseburg.de/~seela/cms/<br />

[2] Barth, M., Fay, A.: Automated generation of simulation models for<br />

control code tests. Control Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g Practice 21, S. 218-230, 2013<br />

[3] Process News 4/2012: Virtuelle Inbetriebnahme<br />

[4] Siemens: SIMBA Profibus Produktbeschreibung<br />

http://www.<strong>in</strong>dustry.siemens.com<br />

[5] Forschungsunion, Acatech, Bundesm<strong>in</strong>isterium für<br />

Bildung und Forschung: Abschlussbericht des Arbeits kreises<br />

Industrie 4.0: Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt<br />

Industrie 4.0, April 2013.<br />

[6] Tauchnitz, T. (2013): Integriertes Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g – wann,<br />

wenn nicht jetzt! Notwendigkeit, Anfor<strong>der</strong>ungen und Ansätze.<br />

<strong>atp</strong> – <strong>edition</strong> (1-2), S. 46-53.<br />

[7] Liu, Zh., Suchold, N., Diedrich, Ch.: Virtual Commission<strong>in</strong>g of Automated<br />

Systems. Otto-von-Guericke University, Magdeburg,<br />

http://cdn.<strong>in</strong>techopen.com/pdfs/37992/InTech-Virtual_commission<strong>in</strong>g_<br />

of_automated_systems.pdf<br />

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

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57


IMPRESSUM / VORSCHAU<br />

IMPRESSUM<br />

VORSCHAU<br />

Verlag:<br />

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH<br />

Arnulfstraße 124, D-80636 München<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 0<br />

Telefax + 49 (0) 89 203 53 66 99<br />

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Geschäftsführer:<br />

Carsten Augsburger, Jürgen Franke<br />

Verlagsleiter<strong>in</strong>:<br />

Kirst<strong>in</strong> Sommer<br />

Spartenleiter<strong>in</strong>:<br />

Kirst<strong>in</strong> Sommer<br />

Herausgeber:<br />

Dr.rer.nat. Thomas Albers<br />

Dr. Gunther Kegel<br />

Dipl.-Ing. Hans-Georg Kumpfmüller<br />

Dr.-Ing. Wilhelm Otten<br />

Beirat:<br />

Dr.-Ing. Kurt Dirk Bettenhausen<br />

Prof. Dr.-Ing. Christian Diedrich<br />

Prof. Dr.-Ing. Ulrich Epple<br />

Prof. Dr.-Ing. Alexan<strong>der</strong> Fay<br />

Prof. Dr.-Ing. Michael Felleisen<br />

Prof. Dr.-Ing. Georg Frey<br />

Dipl.-Ing. Thomas Gre<strong>in</strong><br />

Prof. Dr.-Ing. Hartmut Haehnel<br />

Dipl.-Ing. Tim-Peter Henrichs<br />

Dr.-Ing. Jörg Kiesbauer<br />

Dipl.-Ing. Gerald Mayr<br />

Dr.-Ing. Josef Papenfort<br />

Igor Stolz<br />

Dr. Andreas Wernsdörfer<br />

Dipl.-Ing. Dieter Westerkamp<br />

Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich<br />

Dr.rer.nat. Christian Zeidler<br />

Organschaft:<br />

Organ <strong>der</strong> GMA<br />

(VDI/VDE-Gesell schaft Messund<br />

Automatisierungs technik)<br />

und <strong>der</strong> NAMUR (Interessengeme<strong>in</strong>schaft<br />

Automatisierungstechnik<br />

<strong>der</strong> Prozess<strong>in</strong>dustrie).<br />

Redaktion:<br />

Jürgen Franke (verantwortlich)<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 10<br />

E-Mail: franke@di-verlag.de<br />

Aljona Hartstock (aha)<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 78<br />

E-Mail: hartstock@di-verlag.de<br />

Gerd Scholz (gz)<br />

E<strong>in</strong>reichung von Hauptbeiträgen:<br />

Prof. Dr.-Ing. Leon Urbas<br />

(Chefredakteur, verantwortlich<br />

für die Hauptbeiträge)<br />

Technische Universität Dresden<br />

Fakultät Elektrotechnik<br />

und Informationstechnik<br />

Professur für Prozessleittechnik<br />

D-01062 Dresden<br />

Telefon +49 (0) 351 46 33 96 14<br />

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

Fachredaktion:<br />

Dr.-Ing. Michael Blum<br />

Dipl.-Ing. He<strong>in</strong>rich Engelhard<br />

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jasperneite<br />

Dr.-Ing. Bernhard Kausler<br />

Dr.-Ing. Niels Kiupel<br />

Prof. Dr.-Ing. Gerrit Meixner<br />

Dr.-Ing. Jörg Neidig<br />

Dipl.-Ing. Ingo Rolle<br />

Dr.-Ing. Stefan Runde<br />

Prof. Dr.-Ing. Frank Schiller<br />

Bezugsbed<strong>in</strong>gungen:<br />

„<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> – Automatisierungs technische<br />

Praxis“ ersche<strong>in</strong>t monatlich mit Doppelausgaben<br />

im Januar/Februar und Juli/August.<br />

Bezugspreise:<br />

Abonnement jährlich: € 519,– + € 30,–/ € 35,–<br />

Versand (Deutschland/Ausland);<br />

Heft-Abonnement + Onl<strong>in</strong>e-Archiv: € 704,70;<br />

ePaper (PDF): € 519,–; ePaper + Onl<strong>in</strong>e-Archiv:<br />

€ 674,70; E<strong>in</strong>zelheft: € 59,– + Versand;<br />

Die Preise enthalten bei Lieferung <strong>in</strong> EU-<br />

Staaten die Mehrwertsteuer, für alle übrigen<br />

Län<strong>der</strong> s<strong>in</strong>d es Nettopreise. Mitglie<strong>der</strong> <strong>der</strong><br />

GMA: 30% Ermäßigung auf den Heftbezugspreis.<br />

Bestellungen s<strong>in</strong>d je<strong>der</strong>zeit über den Leserservice<br />

o<strong>der</strong> jede Buchhandlung möglich.<br />

Die Kündigungsfrist für Abonnement aufträge<br />

beträgt 8 Wochen zum Bezugsjahresende.<br />

Abonnement-/E<strong>in</strong>zelheftbestellung:<br />

DataM-Services GmbH, Leserservice <strong>atp</strong><br />

Herr Marcus Zepmeisel<br />

Franz-Horn-Str. 2, 97082 Würzburg<br />

Telefon + 49 (0) 931 417 04 59<br />

Telefax + 49 (0) 931 417 04 94<br />

leserservice@di-verlag.de<br />

Verantwortlich für den Anzeigenteil:<br />

Inge Spoerel<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 22<br />

E-Mail: spoerel@di-verlag.de<br />

Kirst<strong>in</strong> Sommer (Key Account)<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 36<br />

E-Mail: sommer@di-verlag.de<br />

Angelika We<strong>in</strong>garten (Key Account)<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 13<br />

E-Mail: we<strong>in</strong>garten@di-verlag.de<br />

Es gelten die Preise <strong>der</strong> Mediadaten 2014<br />

Anzeigenverwaltung:<br />

Brigitte Krawczyk<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 12<br />

E-Mail: krawczyk@di-verlag.de<br />

Art Direction / Layout:<br />

deivis aronaitis design | dad |<br />

Druck:<br />

Druckerei Chmielorz GmbH,<br />

Ostr<strong>in</strong>g 13,<br />

D-65205 Wiesbaden-Nordenstadt<br />

Gedruckt auf chlor- und<br />

säurefreiem Papier.<br />

Die <strong>atp</strong> wurde 1959 als „Regelungstechnische<br />

Praxis – rtp“ gegründet.<br />

DIV Deutscher Industrieverlag<br />

GmbH München<br />

Die Zeitschrift und alle <strong>in</strong> ihr enthaltenen<br />

Beiträge und Abbildungen s<strong>in</strong>d urheberrechtlich<br />

geschützt. Mit Ausnahme <strong>der</strong> gesetzlich<br />

zugelassenen Fälle ist e<strong>in</strong>e Verwertung ohne<br />

E<strong>in</strong> willigung des Verlages strafbar.<br />

Gemäß unserer Verpflichtung nach § 8<br />

Abs. 3 PresseG i. V. m. Art. 2 Abs. 1c DVO<br />

zum BayPresseG geben wir die Inhaber<br />

und Beteiligungsverhältnisse am Verlag<br />

wie folgt an:<br />

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH,<br />

Arnulfstraße 124, D-80636 München.<br />

Alle<strong>in</strong>iger Gesellschafter des Verlages<br />

ist die ACM-Unternehmensgruppe,<br />

Ostr<strong>in</strong>g 13,<br />

D-65205 Wiesbaden-Nordenstadt.<br />

ISSN 2190-4111<br />

DIE AUSGABE 7-8 / 2014 DER<br />

ERSCHEINT AM 04.08.2014<br />

MIT AUSGEWÄHLTEN BEITRÄGEN DES<br />

GMA-KONGRESSES AUTO MATION 2014<br />

SOWIE WEITEREN THEMEN<br />

Modellierung <strong>in</strong>dustrieller<br />

Kommunikationssysteme<br />

mit AutomationML<br />

Herstellerübergreifende<br />

SPS-Ablaufprogrammierung<br />

für flexible Produktionssysteme<br />

Sicherheitsgerichteter<br />

Stellantrieb<br />

Aus aktuellem Anlass können sich die Themen<br />

kurzfristig verän<strong>der</strong>n.<br />

LESERSERVICE<br />

E-MAIL:<br />

leserservice@di-verlag.de<br />

TELEFON:<br />

+ 49 (0) 931 417 04 59<br />

58<br />

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

6 / 2014


Erreichen Sie die Top-Entschei<strong>der</strong><br />

<strong>der</strong> Automatisierungstechnik.<br />

Sprechen Sie uns an wegen Anzeigenbuchungen<br />

und Fragen zu Ihrer Planung.<br />

Inge Spoerel: Telefon +49 (0) 89 203 53 66-22<br />

E-Mail: spoerel@di-verlag.de


Der Klassiker für die<br />

Prozessautomation geht<br />

<strong>in</strong>s 21. Jahrhun<strong>der</strong>t<br />

Das Handbuch <strong>der</strong> Prozessautomation ist e<strong>in</strong> Standardwerk für die Planung<br />

verfahrenstechnischer Anlagen. In <strong>der</strong> 5., überarbeiteten Version geht es auf<br />

die Herausfor<strong>der</strong>ung bei <strong>der</strong> Digitalisierung <strong>der</strong> Anlage e<strong>in</strong>. Das Handbuch<br />

wurde von fast 50 Experten mit umfassenden Praxiskenntnissen gestaltet<br />

und deckt das gesamte Feld <strong>der</strong> Prozessautomatisierung ab.<br />

Hrsg.: K. F. Früh, U. Maier, D. Schaudel<br />

5. Auflage 2014<br />

740 Seiten, 170 x 240mm, Hardcover<br />

Erhältlich <strong>in</strong> 2 Varianten<br />

www.di-verlag.de<br />

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München<br />

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Bestellung per Fax: +49 (0) 201 Deutscher / 82002-34 Industrieverlag GmbH o<strong>der</strong> | Arnulfstr. abtrennen 124 und | 80636 im München Fensterumschlag e<strong>in</strong>senden<br />

Ja, ich bestelle gegen Rechnung 3 Wochen zur Ansicht<br />

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Handbuch <strong>der</strong> Prozessautomatisierung<br />

5. Auflage – ISBN: 978-3-8356-3372-8<br />

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Handbuch <strong>der</strong> Prozessautomatisierung<br />

mit <strong>in</strong>teraktivem eBook (Onl<strong>in</strong>e-Lesezugriff im MediaCenter)<br />

5. Auflage – ISBN: 978-3-8356-7119-5<br />

für € 259,90 (zzgl. Versand)<br />

Straße / Postfach, Nr.<br />

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Vulkan-Verlag GmbH<br />

Versandbuchhandlung<br />

Postfach 10 39 62<br />

45039 Essen<br />

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E-Mail<br />

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Branche / Wirtschaftszweig<br />

Wi<strong>der</strong>rufsrecht: Sie können Ihre Vertragserklärung <strong>in</strong>nerhalb von zwei Wochen ohne Angabe von Gründen <strong>in</strong> Textform (z.B.<br />

Brief, Fax, E-Mail) o<strong>der</strong> durch Rücksendung <strong>der</strong> Sache wi<strong>der</strong>rufen. Die Frist beg<strong>in</strong>nt nach Erhalt dieser Belehrung <strong>in</strong> Textform.<br />

Zur Wahrung <strong>der</strong> Wi<strong>der</strong>rufsfrist genügt die rechtzeitige Absendung des Wi<strong>der</strong>rufs o<strong>der</strong> <strong>der</strong> Sache an die Vulkan-Verlag GmbH,<br />

Versandbuchhandlung, Huyssenallee 52-56, 45128 Essen.<br />

Ort, Datum, Unterschrift<br />

PAHBPA2014<br />

Nutzung personenbezogener Daten: Für die Auftragsabwicklung und zur Pflege <strong>der</strong> laufenden Kommunikation werden personenbezogene Daten erfasst und gespeichert. Mit dieser Anfor<strong>der</strong>ung erkläre ich mich damit e<strong>in</strong>verstanden,<br />

dass ich vom DIV Deutscher Industrieverlag o<strong>der</strong> vom Vulkan-Verlag per Post, per Telefon, per Telefax, per E-Mail, nicht über <strong>in</strong>teressante, fachspezifische Medien und Informationsangebote <strong>in</strong>formiert und beworben werde.<br />

Diese Erklärung kann ich mit Wirkung für die Zukunft je<strong>der</strong>zeit wi<strong>der</strong>rufen.

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