atp edition Einsatz robotergeführter Patientenliegen (Vorschau)

7-8 / 2014

56. Jahrgang B3654

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH

Automatisierungstechnische Praxis

Einsatz robotergeführter

Patientenliegen | 28

Cloud-enabled Automation

Systems using OPC UA | 34

Auf dem Weg zum

Internet of Portals | 42

Industrie 4.0 am Beispiel

einer Verbundanlage | 52

IT-Security-Konzepte für

die Prozessindustrie | 62

Modellbasierter Entwurf

in der Anwendung | 70

update

ATP EDITION | BRANCHE | VERANSTALTUNGEN | FORSCHUNG | PRODUKTE

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DIE AUTOMATION

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EDITORIAL

Schöne neue

(Produktions-)Welt

Internet der Dinge, Industrie 4.0, Smart Manufacturing – solche Begriffe

prägen derzeit die Debatte um die Zukunft der Produktion. Dabei nimmt

die Diskussion um die Technologien breiten Raum ein und bisweilen ist

kaum zu erkennen, welcher Nutzen für die Kunden mit den neuen Methoden

verbunden ist. Ich meine, wir sollten die Nutzenargumentation wieder mehr

in den Vordergrund stellen und neue Automationsansätze primär danach

bewerten.

Doch was erwartet der Konsument von der Produktion? Weltweit gesehen

will die Menschheit mehr Wohlstand erreichen und dabei die natürlichen

Ressourcen nachhaltiger als bisher nutzen. Für uns in den hoch entwickelten

Ländern geht es zusätzlich noch darum, auch in Zukunft noch bezahlbare

Produktion im eigenen Land zu halten. Voraussetzung für beide Ziele ist

eine Steigerung der Produktions- und Ressourceneffizienz bei einer gleichzeitig

zunehmenden Individualisierung der Produkte.

Die zunehmende Vernetzung von Konsumenten, Lieferanten und Produktionseinheiten

lässt globale Wertschöpfungsnetzwerke entstehen, in denen

eine global optimierte Ressourcenallokation möglich und Redundanz verringert

wird. Die horizontale Vernetzung von Produktionseinheiten und

Kunden erlaubt es, die Aufträge dort zu platzieren, wo sie aus Effizienzgesichtspunkten

am besten abzuarbeiten sind. Die vertikale Vernetzung innerhalb

eines Betriebes sorgt für eine sichere und schnelle Verteilung der

relevanten Daten und eine hocheffiziente Kooperation aller Beteiligten. Doch

über diesen Aspekt der Vernetzung hinaus darf nicht vergessen werden, dass

durch die neuen Technologien auch die bisher übliche strikte Trennung

zwischen Produkt und Dokumentation aufgehoben wird. Das bedeutet, alle

Informationen zum Produkt sind informationstechnisch untrennbar mit

dem Produkt verbunden und somit jederzeit, und in bisher nicht gekannter

Aktualität und vor allem Konsistenz, verfügbar. Und dies gilt sowohl für

das hergestellte Produkt als auch für die Geräte, die Teil der Produktionsanlage

sind. Das spart Zeit bei der Konfiguration, Inbetriebnahme und Wartung

von komplexen Anlagen und erleichtert die Anpassung der Anlage an

geänderte Bedürfnisse. Diesen Nutzen wird der Anwender wahrscheinlich

sehr viel schneller und unmittelbarer wahrnehmen, noch bevor der Traum

von weltumspannenden globalen Wertschöpfungsnetzwerken und individuellen

Produkten zum Preis von Massenware Wahrheit wird.

Insofern ist der Nutzen von Industrie 4.0 auch evolutionär erlebbar und

dies sollten wir unseren Kunden im Rahmen der Diskussion immer wieder

vor Augen führen. Die Vorteile der Vernetzung beginnen auf der Ebene des

Shop-Floors und der durchgängig verfügbaren Information in der vertikalen

Vernetzung. Das sich selbst steuernde Werkstück ist vielleicht die Zukunftsvision,

aber auf die brauchen wir nicht zu warten, um handfeste Vorteile für

den industriellen Anwender zu bieten.

DR.-ING.

PETER ADOLPHS,

Geschäftsführer

Entwicklung & Marketing,

Pepperl+Fuchs GmbH,

Mannheim

atp edition

7-8 / 2014

3

INHALT 7-8 / 2014

VERBAND

6 | Neuer ZVEI-Präsident Ziesemer: Digitale

Gesellschaft ist eines der wichtigsten Themen

DKE-Geschäftsführer führt CENELEC

Gunther Kegel in die VDE-Spitze berufen

FORSCHUNG

7 | Forschungsverbund gründet Campus

„Automatisierung und Digitalisierung“

Größter deutscher Solarspeicher-Park:

Regelungsverfahren eliminieren Erzeugungsspitze

BRANCHE

8 | Namur-Tagung zu dezentraler Intelligenz – neue Wege

für die Prozessautomatisierung der Zukunft

Simulation: Umfrage soll Roadmap ermöglichen

9 | InIT-Forscher gewinnen internationalen Preis mit einem

Konzept für die Automation Cloud

Forschungsfabrik SmartFactory bringt intelligente

Automatisierungslösungen bis zur Einsatzreife

10 | „Deutschland verfügt über eines der weltbesten

Startguthaben für den Weg zu Industrie 4.0“

12 | atp award 2013: Wushan Liang und Rando Meister

als beste Nachwuchswissenschaftler geehrt

18 | AALE: Fachtagung an der Nahtstelle zwischen Hochschule

und Industrie mit Wachstumspotenzial

INTERVIEW

14 | „Im realen Einsatz müssen wir den Nutzen belegen“

DR.-ING. DAGMAR DIRZUS IM INTERVIEW MIT atp edition

4

atp edition

7-8 / 2014

PRAXIS

20 | Intelligente Stromversorgungen erleichtern

Prüfabläufe in der Forschung

24 | Neues Sicherheitsschaltgerät bietet

Gesamtlösung in Vormontageanlagen

bei Continental

26 | Intelligente Feldbusinstallationen

bieten optimalen Fehlerschutz

und maximale Anlagenverfügbarkeit

Produkte,

Systeme

und Service

für die

Prozessindustrie?

Natürlich.

HAUPTBEITRÄGE

28 | Einsatz robotergeführter Patientenliegen

A.DUFFE, H.ARENBECK UND D.ABEL

34 | Cloud-enabled Automation Systems

using OPC UA

J. SCHMITT, T. GOLDSCHMIDT UND P. VORST

42 | Auf dem Weg zum Internet of Portals

D. GROSSMANN, M. BREGULLA, S. BANERJEE,

D. SCHULZ UND R. BRAUN

52 | Industrie 4.0 am Beispiel

einer Verbundanlage

M. WEYRICH, C. DIEDRICH, A. FAY, M. WOLLSCHLAEGER,

S. KOWALEWSKI, P. GÖHNER, B. VOGEL-HEUSER

62 | IT-Security-Konzepte

für die Prozessindustrie

K.-H. NIEMANN

70 | Modellbasierter Entwurf

in der Anwendung

P. S. STELTER, B. BÜCHAU UND G. GRÖBE

Zum Beispiel der magnetischinduktive

Durchflussmesser

ProcessMaster. Er setzt neue

Maßstäbe mit umfangreichen

Diagnosemöglichkeiten, einer

Messabweichung von 0,2 %,

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prozessautomatisierung

RUBRIKEN

3 | Editorial

78 | Impressum, Vorschau

ABB Automation Products GmbH

Tel.: 0800 111 44 11

Fax: 0800 111 44 22

vertrieb.messtechnik-produkte@de.abb.com

VERBAND

Neuer ZVEI-Präsident Ziesemer: Digitale

Gesellschaft ist eines der wichtigsten Themen

Michael Ziesemer führt für drei Jahre als

Präsident den ZVEI. Der bestimmte den

63-Jährigen bei der Mitgliederversammlung

in München zum Nachfolger von Friedhelm

MICHAEL ZIESE- Loh, der satzungsgemäß nicht wiedergewählt

MER: „Das Internet werden konnte. Loh wurde für seine Verdienste

um die Elektroindustrie mit der ZVEI-

der Dinge ergänzt

das Internet der Ehrenpräsidentschaft ausgezeichnet.

Dienste und

Ziesemer ist Chief Operation Officer und

durchdringt immer stellvertretender Vorstandsvorsitzender bei

stärker alle Endress+Hauser. Er gehört seit zehn Jahren

Lebensbereiche“, dem ZVEI-Vorstand an, ab 2008 als Vizepräsident.

Mit Gründung des ZVEI-Fachver-

prognostiziert der

neue ZVEI-Präsident.

Bild: ZVEI glied des Fachverbandsvorstands und Vorsitbands

Automation im Jahr 2000 war er Mitzender

des Fachbereichs Prozessautomatisierung.

Als ZVEI-Präsident wird Ziesemer zugleich

Vizepräsident des BDI (Bundesverband der Deutschen

Industrie) sein.

In den engeren Vorstand berief der ZVEI-Vorstand auf

seiner konstituierenden Sitzung: Klaus Helmrich,

(Siemens, Vizepräsident), Andreas Bettermann (OBO

Bettermann), Dr. Wolfgang Bochtler (Mektec Europe,

Nippon Mektron), Dr. Dirk Hoheisel (Robert Bosch),

Dr. Gunther Kegel (Pepperl+Fuchs), Dr. Peter Köhler

(Weidmüller), Stephanie Spinner-König (Spinner),

Dr. Peter Terwiesch (ABB Deutschland), Georg Walkenbach

(Beurer). Frank Stührenberg (Phoenix Contact)

wurde als Schatzmeister bestätigt.

Der neue Präsident Ziesemer betonte: „Die erfolgreiche

Umsetzung der Energiewende und die digitale Gesellschaft

sind die großen Themen unseres Verbands.“ Die

Energiewende sei eine Generationenaufgabe, die mithilfe

der Produkte und Lösungen der Elektroindustrie erfolgreich

gestaltet werden könne. Chancen sieht Ziesemer

auch bei der voranschreitenden Digitalisierung.

„Das Internet der Dinge ergänzt das Internet der Dienste

und durchdringt immer stärker alle Lebensbereiche“,

prognostiziert Ziesemer.

(gz)

ZVEI – ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK-

UND ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V.,

Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main,

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

BERNHARD THIES:

Er tritt 2016 die

Nachfolge des

Norwegers Tore

Trondvold an der

Spitze des Europäischen

Komitees

für Elektrotechnische

Normung

an. Bild: DKE

DKE-Geschäftsführer

führt CENELEC

Dr.-Ing. Bernhard Thies ist zum Präsidenten

der europäischen Normungsorganisation

CENELEC (Europäisches Komitee für elektrotechnische

Normung) gewählt worden. Der

Sprecher der Geschäftsführung der DKE

Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik

Informationstechnik im DIN und VDE

tritt zum 1. Januar 2016 die Nachfolge des

Norwegers Tore Trondvold an der Spitze der

CENELEC an. Thies ist seit Jahren in der nationalen,

europäischen und internationalen

Normung aktiv, unter anderem als Leiter des

CEN/CLC/ETSI External Relations Komitees.

Zu seinen Zielen als CENELEC-Präsident zählen

die Umsetzung der gemeinsamen Normungsstrategie

„Ambitions 2020“ von CENE-

LEC und CEN (Europäisches Komitee für

Normung) und des CENELEC-Implementierungsplans,

die Weiterentwicklung neuer

Normungskonzepte in Zukunftsfeldern wie

Smart Grids und Smart Cities sowie die Vertiefung der

Zusammenarbeit mit internationalen Normungsorganisationen

wie der Internationalen Elektrotechnischen

Kommission (IEC).

(gz)

DKE DEUTSCHE KOMMISSION ELEKTROTECHNIK

ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK IM DIN UND VDE,

Stresemannallee 15, D-60596 Frankfurt am Main,

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

Gunther Kegel in die

VDE-Spitze berufen

Dr. Bruno Jacobfeuerborn, Geschäftsführer

Technik der Telekom

Deutschland, ist auf der VDE-

Delegiertenversammlung 2014 zum

neuen VDE-Präsidenten gewählt

worden. Er tritt zum 1. Januar 2015

die Nachfolge von Dr. Joachim

Schneider an. Schneider ist Mitglied

des Vorstands von RWE

Deutschland und scheidet turnusgemäß

als VDE-Präsident aus.

Schneider und der neu in die VDE-

Spitze berufene Dr. Gunther Kegel,

Vorsitzender der Geschäftsführung

von Pepperl+Fuchs, werden als

Stellvertretende VDE-Präsidenten

tätig sein. Als Mitglied des VDE-

AB 2015 NEUER

VIZEPRÄSIDENT

DES VDE:

Pepperl+Fuchs-

Chef Dr. Gunther

Kegel.

Bild: Pepperl+Fuchs

Präsidiums bestätigt wurde Alf Henryk Wulf, Vorsitzender

des Vorstandes von Alstom Deutschland. Neu ins

Präsidium zog Dr. Martin Schumacher ein, Mitglied des

Vorstandes der deutschen ABB. Die VDE-Präsidiumsmitglieder

kommen traditionell aus Hochschule und

Industrie und decken die gesamte Bandbreite der Elektro-

und Informationstechnik ab.

(gz)

VDE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK

INFORMATIONSTECHNIK E.V.,

Stresemannallee 15, D-60596 Frankfurt am Main,

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

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atp edition

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FORSCHUNG

Forschungsverbund gründet Campus

„Automatisierung und Digitalisierung“

Ein neu gegründeter Forschungsverbund mit Partnern

aus Industrie und Wissenschaft arbeitet zukünftig

gemeinsam an Software und Technologien für die Automatisierung

und Digitalisierung der Industrie sowie

an den Themen Internet der Dinge, Cloud-Lösungen, IT-

Sicherheit und Smart Data. An der Kooperation beteiligen

sich die Siemens AG, die Technische Universität

München, die Ludwig-Maximilians-Universität München,

das Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz

und das Fraunhofer-Institut für Angewandte und Integrierte

Sicherheit (AISEC). Siemens plant, innerhalb von

zwei Jahren einen zweistelligen Millionen-Euro-Betrag

zu investieren.

Der Campus Automatisierung und Digitalisierung

wird seinen Schwerpunkt in München haben. Die Forschungsergebnisse

sollen in weiteren Schritten bis zu

Marktreife gebracht werden.

„Mit Industrie 4.0 hält das Internet der Dinge Einzug

in die Fabriken. Nur zusammen mit führenden Industriepartnern

wie Siemens wird es gelingen, nun die Voraussetzungen

für die Umsetzung in den Fabrikalltag zu

schaffen und Deutschland zum Leitanbieter für die Digitalisierung

der Produktion zu machen“, sagt Prof. Dr.

Wolfgang Wahlster, CEO des DFKI.

Zu den ersten geplanten Forschungsthemen gehören

autonome Roboter, die eng mit Menschen interagieren

können. Fertigungsprozesse und Roboter sollen durch

„digitale Zwillinge“ modelliert und simuliert werden.

Die Kooperationspartner wollen außerdem eine einheitliche

Sprache für die Kommunikation von Maschinen

DIE VERTRETER des Forschungscampus nach der

Vertragsunterzeichnung in München. Bild: Siemens AG

untereinander finden. Zudem sollen Algorithmen zur

Smart-Data-Analyse großer Datenmengen erforscht werden,

wie sie für intelligente Energienetze, die Industrieautomatisierung,

Smart Cities oder Gesundheitssysteme

eingesetzt werden können.

(aha)

DEUTSCHES FORSCHUNGSZENTRUM FÜR

KÜNSTLICHE INTELLIGENZ GMBH, DFKI,

Trippstadter Straße 122, D-67663 Kaiserslautern,

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

Größter deutscher Solarspeicher-Park:

Regelungsverfahren eliminieren Erzeugungsspitze

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat mit

seinen Partnern SolarWatt und Kostal Solar Electric

den größten Solarstrom-Speicher-Park in Deutschland

in Betrieb genommen. In der Ein-Megawatt-Anlage arbeiten

Solarzellen, Batterien und Wechselrichter zusammen,

um Solarstrom zu speichern und jederzeit

verfügbar zu machen. Die Batterien werden dabei von

neuartigen Prognose- und Regelungsverfahren so gesteuert,

dass sie vor allem mittags den Sonnenstrom

speichern und ihn dann bei Bedarf etwa abends, nachts

oder morgens abgeben. Auf diese Weise eliminieren

sie die Erzeugungsspitze am Mittag.

In der Anlage sind mehr als 100 verschiedene Systemkonfigurationen

aufgebaut, die sich etwa in der Ausrichtung,

Neigung oder technischen Bauteilen unterscheiden.

Die Auswertung der Leistungsdaten soll zeigen,

welche Systemkonfigurationen netzverträglich sind. Die

Erkenntnisse sollen zum Gelingen der Energiewende

beitragen. Der in der Anlage erzeugte Strom wird auf

dem Campus Nord des KIT für den Betrieb von Großforschungsgeräten

eingesetzt.

(aha)

IN DEM SOLARSPEICHER-PARK des KIT werden neue

Technologien für die Energiewende erprobt. Bild: KIT

KARLSRUHER INSTITUT FÜR TECHNOLOGIE,

Kaiserstr. 12, D-76131 Karlsruhe,

Tel. +49 (0) 721 60 80, Internet: www.kit.edu

atp edition

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BRANCHE

Namur-Tagung zu dezentraler Intelligenz – neue

Wege für die Prozessautomatisierung der Zukunft

MODULARE AUTOMATISIERUNGSSYSTEME MIT

OFFENEN, standardisierten Schnittstellen sind

erforderlich, um den neuen Marktanforderungen

gerecht zu werden. Dieses Thema steht im Fokus

der Namur-Hauptsitzung. Bild: BASF

Vor dem Hintergrund steigender Volatilitäten der Absatzmärkte

und immer kürzerer Produktlebenszyklen

zeigt das Konzept der starren Prozessanlagen zunehmend

Schwächen. Die Zeit von der Planung über die

Installation bis hin zur Inbetriebnahme wie auch die

Kostenreduktion bei der Anpassung auf individuelle

Produktionsmengen und -arten werden für Anlagenbetreiber

zu kritischen Faktoren. Um den Marktanforderungen

nach Schnelligkeit, Flexibilität und wirtschaftlicher

Größenanpassung gerecht zu werden, bedarf es

modularer Automatisierungssysteme mit offenen, standardisierten

Schnittstellen. Nur so kann die Automatisierung

der steigenden Flexibilität von zunehmend modular

aufgebauten Prozessanlagen gerecht werden.

Die 77. Namur-Hauptsitzung, und mit ihr Wago Kontakttechnik

als Sponsor, widmen sich diesem Thema

unter dem Titel „Dezentrale Intelligenz – Neue Wege in

der Prozessautomatisierung“. In Bad Neuenahr wird es

am 6. und 7. November 2014 daher um einen konkreten

Lösungsansatz für eine Prozessautomatisierung der Zukunft

gehen. Die jährliche Namur-Hauptsitzung ist eine

der größten Veranstaltungen in der Prozessindustrie und

findet weltweit Beachtung.

Der Sponsor Wago ist im Bereich der elektrischen Federverbindungstechnik

zu einem Weltmarktführer aufgestiegen

und bietet seit über 20 Jahren ebenfalls Automatisierungssysteme

an. Auf der Namur-Hauptsitzung

tritt Wago an, einen Weg in eine neue Automatisierungsarchitektur

modularer Prozessanlagen darzustellen.

Wago wird in einem Plenarvortrag und weiteren fünf

Workshops in enger Abstimmung mit der Namur ein

neues Konzept zur modularen, skalierbaren Prozessautomatisierung

vorstellen. Bestandteile sind das Engineering,

die digitale Beschreibung von Prozessmodulen

sowie eine offene, herstellerunabhängige Systemkommunikation

und Schnittstellenarchitektur zur Automatisierung

von Prozessanlagen mit dezentraler Automatisierung

oder Package Units.

Dem Plenarvortrag folgen Beiträge der Namur, die

neue Anforderungen sowie aktuelle Entwicklungen aufgreifen

und die Ergebnisse zur seit der letzten Hauptsitzung

gestarteten Initiative zum Namur-Datencontainer

nach NE 150 (Standardisierung eines hersteller- und

systemunabhängigen Datenaustausches zwischen CAE

und PLS) darstellen. Diskutiert werden auch aktuelle

Themen der Arbeitskreise wie etwa Security, Assistenzsysteme,

Sensorik und Antriebstechnik.

(gz)

NAMUR-GESCHÄFTSSTELLE,

c/o Bayer Technology Services GmbH,

Gebäude K 9, D-51368 Leverkusen,

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

SIMULATION: UMFRAGE SOLL ROADMAP ERMÖGLICHEN

Wie sieht die Anwendung von Simulation heute und morgen im Lebenszyklus einer Prozessanlage aus?

Antworten dazu soll nun eine

Online-Umfrage liefern. Initiiert wurde

diese Untersuchung vom VDI/VDE

GMA-Fachausschuss 6.11 zur

virtuellen Inbetriebnahme unter

Leitung von Prof. Dr. Mike Barth sowie

von Mathias Oppelt (Siemens) und

Prof. Dr. Leon Urbas (TU Dresden).

Ziel der Studie über Simulation in den

Prozessindustrien ist es, den aktuellen

Stand und die Vision zur Anwendung

von Simulation im Lebenszyklus einer

Prozessanlage zu erfassen. Daraus

soll eine Technologie-Roadmap zur

Anwendung von Simulation in den

Prozessindustrien abgeleitet werden,

auf deren Ausprägung Experten durch

Ihre Teilnahme an der Umfrage

Einfluss nehmen können. Die

Auswertung der Daten erfolgt

anonymisiert. Die Umfrage ist über

folgenden Link zu erreichen:

www.simulation-studie.de

oder via http://customersatisfaction.

siemens.com/surveycenter/studio/

Survey_inet/SimulationStudie

MATHIAS OPPELT,

Siemens AG, I IA AS PA PRM 2,

Östliche Rheinbrückenstr. 50,

D-76187 Karlsruhe,

Tel. +49 (0) 721 595 21 78,

E-Mail: oppelt.mathias@siemens.com

8

atp edition

7-8 / 2014

InIT-Forscher gewinnen internationalen Preis

mit einem Konzept für die Automation Cloud

Forscher vom Institut für industrielle Informatik (InIT)

der Hochschule Ostwestfalen-Lippe sind die Gewinner

des internationalen Cloud Innovation World Cup.

Die Preisverleihung erfolgte in London. Für ihr Konzept

einer Automation Cloud sind die Forscher in London mit

dem ersten Platz in der Kategorie Industrie 4.0 geehrt

worden. Die Gewinner haben sich gegen mehrere hundert

Konkurrenten durchgesetzt. Omid Givehchi, wissenschaftlicher

Mitarbeiter am InIT, nahm den Preis in

der Olympia Hall entgegen.

Der Vorteil von Cloud Computing: Daten werden nur

ein Mal auf einen Server geladen, der Nutzer kann sie

dann jederzeit und von überall abrufen. Steuerungsprogramme

und die Software großer Produktionsanlagen

sollen nicht mehr auf einem festen Rechner installiert,

sondern in das Internet ausgelagert werden. Steuerungsfunktionen,

die bisher durch Hardwarekomponenten

direkt an den Maschinen und Anlagen angebracht sind,

sollen dann in der „Automation Cloud“ zur Verfügung

stehen und als Dienste abgerufen werden. Statt weiter

Hardware zu installieren und Steuerungen zu programmieren,

greift der Anwender auf die bereits programmierte

Steuerung in der Cloud zurück.Das möchte sich

die Industrie zunutze machen. Das Lemgoer Forschungsinstitut

InIT arbeitet an der Umsetzung. (aha)

INSTITUTSLEITER Prof. Jürgen Jasperneite (li.)

und Mitarbeiter Omid Givehchi (re.) haben mit der

Automation Cloud den ersten Platz belegt. Bild: InIT

HOCHSCHULE OSTWESTFALEN-LIPPE,

Liebigstr. 87, D-32657 Lemgo,

Tel. +49 (0) 5261 70 20,

Internet: www.hs-owl.de

Forschungsfabrik SmartFactory bringt intelligente

Automatisierungslösungen bis zur Einsatzreife

Auf Initiative der Fraunhofer-Gesellschaft und der

Hochschule OWL entsteht in Lemgo die Zukunftsfabrik

SmartFactoryOWL. Investiert werden rund fünf

Millionen Euro. Zusammen mit der Erweiterung des

Centrum Industrial IT (CIIT) ensteht damit in Ostwestfalen-Lippe

(OWL) ein Technologiecampus für die Intelligente

Automation.

Seit 2009 forschen das Fraunhofer-Anwendungszentrum

Industrial Automation (IOSB-INA) und die Hochschule

OWL gemeinsam an Technologien, um die intelligente

Fabrik zu realisieren. Jetzt geben sie den Anstoß

für eine – in diesem Umfang – einzigartige Forschungsfabrik

in Ostwestfalen-Lippe. Auf zirka 2000 Quadratmeter

sollen darin Lösungen für die intelligente Automation

erforscht, entwickelt und erprobt werden. Die

Fertigstellung ist für das erste Halbjahr 2015 geplant.

Die SmartFactoryOWL ist eine Plattform für Wissensund

Technologietransfer, um insbesondere produzierenden

Unternehmen und Fabrikausrüstern den Übergang

in neue Technologien zu ermöglichen. Für Professor

Jürgen Jasperneite, Leiter des Fraunhofer-Anwendungszentrums

und Initiator des Projektes, lässt sich

„die Tragfähigkeit neuer Ansätze nur an deren Praxistauglichkeit

messen“. Die Forschungsfabrik wird daher

neben Demonstratoren über eine reale Produktions- und

IT-Umgebung verfügen. Kleine und mittelständische

Unternehmen haben hier sogar die Möglichkeit mit Hilfe

einer Kleinserienfertigung ihre Produktionssysteme

und -abläufe zu optimieren und Personal zu schulen.

Die Realisierung der Forschungsfabrik ist für Jasperneite

nicht nur ein klares Bekenntnis der Fraunhofer-Gesellschaft

zum Standort Lemgo. „Durch das gemeinsame

Engagement von Fraunhofer und der Hochschule OWL

wird die Spitzenclusterregion Ostwestfalen-Lippe zudem

über die Grenzen hinaus signifikant gestärkt“, hebt er

hervor. Der Standort in Lemgo ist eines der drei regionalen

Leistungszentren im BMBF-Spitzencluster „it’s OWL –

Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe“.

Dr. Oliver Herrmann, Präsident der Hochschule OWL

ergänzt: „Die Zukunftsfabrik ist ein Meilenstein zur

weiteren Profilierung des Wissenschaftsstandortes Lemgo

und bietet einzigartige und praxisnahe Bedingungen

für Studierende der Ingenieurswissenschaften.“ (gz)

FRAUNHOFER-ANWENDUNGSZENTRUM INDUSTRIAL

AUTOMATION (IOSB-INA),

Langenbruch 6, D-32657 Lemgo,

Internet: www.iosb-ina.fraunhofer.de

HOCHSCHULE OSTWESTFALEN-LIPPE,

Liebigstraße 87, D-32657 Lemgo,

Internet: www.hs-owl.de

atp edition

7-8 / 2014

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BRANCHE

„Deutschland verfügt über eines der weltbesten

Startguthaben für den Weg zu Industrie 4.0“

GMA-Tagung Automation 2014: Smarte Technologien für die Automation der Zukunft im Fokus

Geschwindigkeit, Geschwindigkeit, Geschwindigkeit“

– fordert Dr.-Ing. Kurt D. Bettenhausen beim

Einstieg in die Industrie 4.0-Welt. Als weitere Erfolgsfaktoren

auf Weg in die Produktion der Zukunft sieht

der Vorsitzende der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und

Automatisierungstechnik (GMA) die Qualifikation der

Mitarbeiter sowie den Auf- und Ausbau der erforderlichen

Infrastruktur.

Die deutsche Ausgangsposition sei sehr gut. Vor allem

dank des bereits hohen Automatisierungsgrads und des

ebenfalls hohen Qualifikationsniveaus der Mitarbeiter

„verfügt Deutschland über eines der weltbesten Startguthaben

für Industrie 4.0“, betonte Bettenhausen bei der

GMA-Tagung „Automation 2014“, die sich vor allem smarten

Technologien für alle Branchen und für Industrie 4.0

widmete. Zusammen mit den parallel stattfindenden VDI-

Tagungen zu industrieller Robotik und Gebäudeautomation

zog die Automation 2014 rund 500 Teilnehmer an:

Ziel erreicht, verkündete Bettenhausen erfreut.

Eine Umfrage unter den GMA-Mitgliedern, deren Ergebnisse

Bettenhausen und die neue GMA-Geschäftsführerin

Dr.-Ing. Dagmar Dirzus (siehe auch Interview ab Seite 14)

vorstellten, zeigte neben einer grundsätzlich großen Zuversicht

der Branche auch Handlungsfelder zum Thema

Industrie 4.0 auf. Ein wichtiger Punkt: „Das Funktionieren

der Cloud in der Automation ist Voraussetzung für Industrie

4.0“, unterstrich Dagmar Dirzus. Allerdings wird die

Cloud nach Ansicht der befragten GMA-Mitglieder in den

Unternehmen nur zögerlich Einzug halten. Im Mittel der

rund 400 Antworten ergab sich die Einschätzung, dass die

Cloud-Nutzung erst in 6,1 Jahren im Unternehmen „selbstverständlich“

werde. Vor einem Jahr lag das rechnerische

Mittel der Antworten auf dieselbe Frage bei 6,6 Jahren.

Berücksichtigt man die zwölf Monate, die zwischen beiden

Umfragen liegen, so wird die Cloud-Nutzung heute

also zurückhaltender gesehen als noch vor einem Jahr.

CYBER-PHYSISCHE SYSTEME WERDEN REALITÄT

Die Vorteile des Cloud Computing sehen die Befragten

aktuell vor allem in zentraler Datenhaltung (48,4 Prozent)

und in höherer Effizienz durch Nutzung von Speicher und

Rechenkapazitäten in der Cloud. Als mögliche zusätzliche

Dienstleistungen aus der Cloud nennen die Befragten vor

allem Software-Update-Management, die Auswertung von

Störungen und Diagnoseaufgaben (jeweils zwischen gut

51 und knapp 45 Prozent). Damit, so sagte Dagmar Dirzus,

„wird der Trend bestätigt, dass cyber-physische Systeme

beginnen, Realität zu werden, indem ‚Condition Monitoring‘

immer weiter Einzug hält“. Das übergreifende Management

von Ressourcen folgt auf Platz vier.

Auch die Nutzung smarter Geräte, die einen Baustein

von Industrie 4.0 darstellen, ist relativ selten. Knapp

60 Prozent der Befragten sehen in den Anlagen ihres

Unternehmens derzeit keine beziehungsweise eine sehr

geringe Nutzung smarter Geräte. „Diese Aussage kann

nicht befriedigen“, stellt GMA-Chef Bettenhausen fest.

Was die Definition „smarter“ Geräte angeht, kristallisierte

sich bei der Umfrage eine mehrheitliche, allerdings

nicht komplett einheitliche Aussage heraus:

Knapp zwei Drittel der Befragten sehen die Kommunikationsfähigkeit

als bedeutendste Eigenschaft. Für

knapp 53 Prozent gehört auch eine intuitive Bedienbarkeit

zu smarten Geräten, knapp 43 Prozent erwarten

eine einfache Bedienbarkeit.

HOHER INFORMATIONSBEDARF ZU INDUSTRIE 4.0

Zumindest bei vielen der Befragten herrscht offenbar

noch großer Informationsbedarf zu Industrie 4.0: Nur gut

43 Prozent der Befragten fühlen sich bereits gut bis sehr

gut, mehr als die Hälfte aber nur ausreichend oder sogar

unzureichend informiert. Dagmar Dirzus: „Dass immerhin

knapp die Hälfte mit dem Informationsstand zufrie-

den ist – dazu haben vor allem die Verbände und bereits

BESTE STIMMUNG

Die Mitglieder der GMA erwarten weiteres Wachstum für ihre Branche

Die jüngste Mitgliederumfrage

der GMA zeigt die Branche in sehr

guter Laune: 70 Prozent der

Befragten hegen positive Erwartungen

für die wirtschaftliche

Entwicklung in den nächsten drei

Jahren bei den Herstellern von

Mess- und Automatisierungstechnik.

Für die Anwender dieser

Technik sagen gut 60 Prozent eine

positive Entwicklung voraus.

Die Chancen für Wachstum der

Mess- und Automatisierungstechnik

werden dabei vor allem in

China gesehen, erst mit großem

Abstand gefolgt von Indien,

danach erst folgen etwa gleichauf

die Heimatmärkte. Bemerkenswert

ist dabei die Einschätzung

der wichtigsten Anwendungs

felder: Die konventionellen

Technologien, Maschinen- und

Anlagenbau, Produktions- und

Fahrzeugtechnik werden als

bedeutendste Wachstumstreiber

für Regelungs- und Automatisierungstechnik

gesehen. Im

Bereich Sensorik, Mess- und

Prüftechnik werden die stärksten

Impulse von der Fahrzeugtechnik

erwartet, gefolgt von Maschinen

und Anlagenbau sowie Produktionstechnik.

10

atp edition

7-8 / 2014

KURT D.

BETTENHAUSEN:

Der GMA-Vorsitzende

betonte,

IT Security seit

eine notwendige

Voraussetzung für

Cloud-Lösungen

in der produzierenden

Industrie.

Bilder: VDI

DIE GMA-SPITZE: Kurt D. Bettenhausen und

Dagmar Dirzus stellten aktuelle Umfrageergebnisse

zum Thema Industrie 4.0 vor.

seit 2011 der VDI maßgeblich beigetragen. Wir nehmen

unsere Aufgabe sehr ernst, hieran weiter zu arbeiten.“

Trotz dieser Informationslücke sehen fast 80 Prozent

der Befragten Deutschland als führend oder zumindest

als „fast follower“ bei Einführung und Entwicklung von

Industrie 4.0. Um die Anwendungen möglichst schnell

in die Unternehmen zu tragen, sei nun wichtig, „den

konkreten Nutzen von Industrie 4.0 in realen Industrieumgebungen

nachzuweisen“, fordert der GMA-Präsident.

Auch neue Geschäftsmodelle gelte es zu entwickeln.

In der GMA arbeite man mit Hochdruck an konkreten

Use Cases. Nach Papieren zu Wertschöpfungsketten,

Komponenten von Industrie 4.0 und Referenzmodellen

stellte die GMA nun den Statusreport „Industrie 4.0 –

CPS-basierte Automation“ vor. In den kommenden

sechs Monaten sollen Veröffentlichungen zu den Feldern

IT Security, Geschäftsmodelle und Arbeitsumfeld

Industrie 4.0 folgen.

Die Sicherstellung der IT Security gilt als unabdingbar.

„Wenn die IT-Infrastrukturen wie die Cloud für

Industrie 4.0 in die produzierende Industrie Einzug

halten sollen, ist IT Security die notwendige Voraussetzung“,

hebt Bettenhausen hervor. Um die künftig notwendige

Vernetzung der Wertschöpfungsketten zu ermöglichen,

sei zudem die Standardisierung von Schnittstellen,

Semantiken und Ontologien erforderlich.

KÜNFTIG NOCH HÖHERE QUALIFIKATIONEN NÖTIG

Auswirkungen wird der Wandel zu Industrie 4.0 auch

auf die Arbeitsplätze haben. Deren Anzahl dürfte zwar

gleich bleiben, wie knapp zwei Drittel der Befragten

erwarten. Aber das Qualifikationsniveau wird noch

weiter steigen. Denn „durch die erhöhte Flexibilität der

Anlagen und der Wertschöpfungsstrukturen steigt auch

ihre Komplexität“, betont Bettenhausen und erläutert:

„Sich selbst adaptierende Systeme, Module, die fähig

sind, ihre Anmeldung im System selbst vorzunehmen,

ihre Verfügbarkeit kund zu tun und einen virtuellen

wie physischen Orts- oder Reihenfolgewechsel selbst

zu managen sind die Lösung, die Industrie 4.0 anbieten

wird. Die Entscheidungsfähigkeit und -notwendigkeit

bleibt jedoch beim Menschen.“

Um die Systeme für Menschen beherrschbar zu machen,

seien „neuartige Benutzerschnittstellen notwendig,

die alle relevanten Daten zusammenführen und sie

für den Entscheider in einer optimierten Darstellung zur

Verfügung stellen, um Transparenz herzustellen und

damit Entscheidungsbefähigung sicherzustellen“. Und

infolge der Verlagerung von Entscheidungen aus der Managementebene

in die produktionsnahen Bereiche „müssen

sich Ausbildungs- und Studieninhalte ändern. Die

Anzahl qualitativ hochwertig Aus- beziehungsweise

Weitergebildeter wird steigen müssen“, so Bettenhausen.

AUTOR

GERD SCHOLZ

arbeitet als freier Journalist

für atp edition.

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH,

Arnulfstraße 124, D-80636 München,

Tel. +49 (0) 89 203 53 66 78,

E-Mail: GerdScholz@t-online.de

atp edition

7-8 / 2014

11

BRANCHE

VDI-EHRENPLAKETTE GEHT AN PROF. GÖHNER

Mit der bronzenen VDI-Ehrenplakette wurde beim

Kongress Automation Prof. Peter Göhner ausgezeichnet.

GMA-Vorsitzender Dr. Kurt D. Bettenhausen überreichte

Göhner die Auszeichnung für sein außerordentliches

ehrenamtliches Engagement in der Gesellschaft

Mess- und Automatisierungstechnik (GMA).

Unter anderem hat er das erste Leitbild der GMA im

Jahr 2 000 mitentwickelt und die GMA-Aktivitäten zu

„Agenten in der Automation“ entwickelt. Zudem hat

er langjährig im Programmkomitee des Automatisierungskongresses

mitgewirkt.

Darüber hinaus hat sich Göhner für ein besseres

Verständnis der Automation in der breiten Gesellatp

award 2013: Wushan Liang und Rando Meister

als beste Nachwuchswissenschaftler geehrt

Prof. Peter Göhner erhielt VDI-Ehrenplakette für Verdienste um die GMA

atp-CHEFREDAKTEUR PROF. LEON

URBAS (Mitte) überreichte den atp

award 2013 an Dr.-Ing. Thomas Hauff,

Wushan Liang, Rando Meister und

Prof. Alexander Fay (v.li.). Bild: Scholz

500 BESUCHER kamen zur Automation 2014 und

den beiden Schwesterkongressen. Bild: VDI

Wushan Liang und Rando Meister sind die besten

Nachwuchswissenschaftler, die 2013 in atp edition

veröffentlicht haben. Sie und ihre Autorenteams

wurden mit dem atp award 2013 ausgezeichnet. Prof.

Dr.-Ing. Leon Urbas, Chefredakteur der atp edition,

übergab die Preise vor dem Plenum der Tagung Automation

2014 in Baden-Baden. Die Jury bestehend aus

Prof. Urbas und der Fachredaktion der atp edition hat

die veröffentlichten Beiträge bewertet und jeweils

einen Gewinnerbeitrag in den beiden Kategorien Industrie

und Hochschule gewählt. In der Kategorie

Industrie hat sich die Jury für den Beitrag „Genauigkeit

von Messgeräten überwachen“ der Autoren

Dr.-Ing. Thomas Hauff, Wushan Liang, Matthias

Strauss (BASF SE), Prof. Christian Brecher und

Matthias Strauss (RWTH Aachen) entschieden. Der

Beitrag ist in der Ausgabe 1-2/2013 der atp edition

erschienen und beschreibt eine Strategie, die dabei

hilft, das Driften von Messsignalen in Schutzeinrichtungen

durch Vergleich redundanter Kanäle automatisch

zu detektieren. Stellvertretend für das Autorenteam

nahmen Hauff und Liang die Auszeichnung in

Form einer Glaspyramide beim Automatisierungskongress

entgegen. Das Preisgeld von jeweils 2 000 Euro

erhält der jüngste Autor eines Teams, dieser darf nicht

älter als 35 Jahre sein. In diesem Jahr geht es in der

Kategorie Industrie daher an Wushan Liang.

In der Kategorie Hochschule nahmen Prof. Alexander

Fay und Rando Meister von der Helmut-Schmidt-

Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg die

Auszeichnung und die Urkunden entgegen. Gemeinsam

mit Dennis Cory (Deutscher Blinden- und Sehbehindertenverein

e. V.) und Christian Ehring (RTB

GmbH & Co. KG) veröffentlichten sie in der Ausgabe

7-8/2013 der atp edition den Beitrag mit dem Titel

„Bus-ID: Orientierung für Blinde an der Haltestelle“.

Der Beitrag hat das Forschungsprojekt Bus-ID zum

Thema, das durch eine RFID-basierte Orientierungshilfe

eine Lösung für die barrierefreie Gestaltung von

Verkehrsanlagen im öffentlichen Raum aufzeigt. Die

Anwendung in der Praxis wurde in Feldtests des Prototypen

an einer Bushaltestelle sowie an einem signalisierten

Fußgängerüberweg überprüft. Als jüngster

Autor des Teams erhält Meister das Preisgeld in Höhe

von 2 000 Euro.

12

atp edition

7-8 / 2014

Ihr Erfolg durch

unsere Erfahrung

PROF. PETER GÖHNER wurde für sein

langjähriges Engagement geehrt (li.).

Dr. Kurt D. Bettenhausen (re.). Bild: Scholz

schaft eingesetzt. So hat er mit dem „Wunderland

der Automatisierungstechnik“ an der Universität

Stuttgart mit einleuchtenden Beispielen die Automation

erklärt. Dazu zählen auch seine Ideen rund

um das Thema Fußball. Ein Beispiel dafür ist der

automatische Fußballtorwart Goalias. Der VDI

würdigt mit der Ehrenplakette seit 1948 ehrenamtliche

Mitarbeiter des Vereins.

Stellungsregler Bauart 3730 und 3731

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Prozessleitsystem (HART ® , PROFIBUS-PA

oder FOUNDATION fieldbus)

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Schwenkantriebe

• Geeignet für den Einsatz in sicherheitsgerichteten

Kreisen (SIL 3 gem. IEC 61508)

• Integrierte Ventildiagnose für Regel- und

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

• Global einsetzbar durch nationale und

internationale Explosionsschutz-

Zulassungen (Ex ia oder Ex d)

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hoher Regelgüte

ALJONA HARTSTOCK

ist Volontärin bei

der atp edition im

Deutschen Industrieverlag.



Tel. +49 (0) 89 203 53 66 78,

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INTERVIEW

DR.-ING.

DAGMAR DIRZUS:

Die neue Geschäftsführerin

der VDI/

VDE-Gesellschaft


will

unter anderem ein

einheitliches Verständnis

innerhalb der

Industrie zum Thema

Industrie 4.0 vorantreiben.

14

atp edition

7-8 / 2014

„Im realen Einsatz müssen

wir den Nutzen belegen“

Dr.-Ing. Dagmar Dirzus im Interview mit atp edition

atp edition sprach mit Dr.-Ing. Dagmar Dirzus am Rande der Automation 2014 über die Herausforderungen,

die das Thema Industrie 4.0 für die GMA mit sich bringt. Dagmar Dirzus hat zum 1. Juni die Geschäftsführung

der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik von Dieter Westerkamp übernommen, der

seit Beginn des Jahres den Bereich „Technik und Wissenschaft“ im VDI leitet.

atp edition: Frau Dirzus, Sie haben die Geschäftsführung

der GMA mitten in der „4. industriellen Revolution“ übernommen

– was bedeutet Industrie 4.0 für die GMA?

DAGMAR DIRZUS: Wir werden fortsetzen, was wir

schon in Gang gebracht haben: Als VDI und GMA begleiten

wir das Thema Industrie 4.0 bereits seit Jahren.

Anfang 2013 – damals verantwortete ich beim VDI

Wissensforum die Entwicklung von Tagungen zum Thema

Automatisierung – haben wir mit unserem ersten

Kongress zu Industrie 4.0 ein Zeichen gesetzt. Ein Jahr

später folgte die Neuauflage und nun widmet sich die

Automation 2014 dem Thema. Aktuell steht in der GMA

die inhaltliche Arbeit im Vordergrund, um die „smarte“

Produktion voranzubringen.

atp edition: Wie strukturieren Sie diese inhaltliche Arbeit?

DAGMAR DIRZUS: Im Februar 2013 hat die GMA den Fachausschuss

7.21 zu Industrie 4.0 gegründet, den Prof. Ulrich

Epple leitet. Bereits knapp ein Jahr zuvor hatte der

FA 7.20 zu cyber-physischen Systemen (CPS) unter Leitung

von Prof. Stefan Kowalewski die Arbeit aufgenommen.

Intern koordinieren Dr. Heinz Bedenbender den FA

7.21 und ich den FA 7.20. Dabei arbeiten wir eng zusammen.

Beide Ausschüsse haben bereits mehrere White

Paper zu ihren Themen veröffentlicht. Nun, zur Automation

2014, haben wir den Statusreport zum Forschungsbedarf

bei der CPS-basierten Automation vorgelegt.

atp edition: Reichen die Aktivitäten über diese beiden

Ausschüsse hinaus?

DAGMAR DIRZUS: In einem neuen Fokusprojekt bündeln

wir das gesamte relevante Know-how. In diesem Rahmen

treffen sich die Leiter aller betroffenen Fachbereiche sowie

die jeweiligen Fachausschussleiter im Zwei-Wochen-

Rhythmus und leisten intensive inhaltliche Arbeit. Anders

als die Plattform Industrie 4.0 können wir hier extrem in

die Tiefe gehen und fachlich Wichtiges für die Community,

aber auch für die Öffentlichkeit zur Verfügung stellen.

Durch diese Konstellation vermeiden wir Überschneidungen,

Doppelarbeit und ungewolltes Gegeneinanderarbeiten.

Zudem stellt dieses Fokusprojekt eine Art

Rundum-Radar für uns dar. Dort erfahren wir auch sehr

schnell, was außerhalb der GMA, VDI-weit, in anderen

Verbänden und der Plattform Industrie 4.0 geschieht.

atp edition: Ändert Industrie 4.0 Strukturen und Vorgehensweisen

in der GMA?

DAGMAR DIRZUS: Im Zusammenhang mit Industrie 4.0

testen wir viele neue Ansätze in Pilotanwendungen. Beispielsweise

haben wir im Internet eine neue Landing Page

zum Thema eingerichtet, auf der wir alle Aktivitäten und

Bereiche des VDI gebündelt und auch Social Media integriert

haben. Ebenso arbeiten wir an der Suchmaschinenoptimierung:

Vor kurzem hatten wir es bei Google auf

Rang vier in den Suchergebnissen zu „Industrie 4.0“ geschafft.

Später sind wir auf Platz 14 abgerutscht. Hier

sammeln wir sehr viele neue Erfahrungen.

atp edition: Alle Welt spricht von Industrie 4.0 – aber ist

der Fachöffentlichkeit überhaupt schon klar, was genau

damit gemeint ist?

DAGMAR DIRZUS: Klar und eindeutig definiert ist Industrie

4.0 durch die „Plattform Industrie 4.0“ seit April 2013

– belastbar und öffentlich zugänglich. Das ist die Definition,

auf die wir uns verbändeweit geeinigt haben.

atp edition: Ihre jüngste Umfrage unter den GMA-Mitgliedern

zeigte allerdings, dass sich etwa jeder zweite nur ausreichend

oder unzureichend darüber informiert fühlte ...

DAGMAR DIRZUS: Es mag sein, dass viele Unternehmen,

Universitäten oder Institutionen Industrie 4.0 für sich anders

oder unklar definieren. Hier steuern wir mit dem

Aufbau eines Glossars gegen. Das wird sich zu 99 Prozent

auf die Plattform Industrie 4.0 und unsere Fachausschüsse

stützen und dazu beitragen, ein einheitliches Verständnis

zu schaffen.

Bilder: Scholz

atp edition: Stellt dieses Fokusprojekt einen singulären

Ansatz da?

DAGMAR DIRZUS: Es ist ein neues Vorgehen, das wir

künftig auch auf andere Fachgebiete übertragen werden,

sofern das im konkreten Fall Nutzen verspricht. Wir erkennen

schon jetzt, dass hier ein großes Potenzial liegt.

atp edition: Wie kommt es zu der Unsicherheit in den Unternehmen?

DAGMAR DIRZUS: Ich glaube, es gibt zu viele Informationen

von allen möglichen Seiten. Dabei ist „von allen möglichen

Seiten“ hier das Problem: Wir haben es hier nicht

nur mit fundierten, belastbaren Quellen zu tun. So entsteht

atp edition

7-8 / 2014

15

INTERVIEW

eine Verwirrung, die dazu führt, dass viele Unternehmen,

vor allem aus dem Mittelstand, bei uns nachfragen, um

Klarheit und zuverlässige Information zu bekommen.

atp edition: Worin liegen die drei größten Herausforderungen

bei der Umsetzung von Industrie 4.0?

DAGMAR DIRZUS: Wir benötigen erstens Pilotprojekte in

der realen Produktion, die den Nutzen des neuen Ansatzes

belegen. Zum zweiten besitzt die Standardisierung

eine hohe Bedeutung. Schließlich müssen wir die Information

über das Thema verbessern, um in der Industrie

das Interesse daran und in der Öffentlichkeit dessen Akzeptanz

zu erhöhen.

atp edition: Wie groß ist die Gefahr, dass Deutschland im

weltweiten Wettbewerb den Anschluss verliert?

DAGMAR DIRZUS: Wir befinden uns in einer sehr guten

Ausgangsposition. Der Automatisierungsgrad ist hoch, weil

wir kein Niedriglohnland sind, und die Mitarbeiter sind

fachlich sehr gut qualifiziert. Aber wir, die Verbände, müssen

mit den Unternehmen zügig Lösungen zur Umsetzung

der Produktion der Zukunft erarbeiten. Hier ist Deutsch-

atp edition: Sind diese Pilotprojekte schon in Sicht?

DAGMAR DIRZUS: Derartige beispielhafte Einsatzfälle

erwarten wir zunächst aus der Automobilindustrie, da

dort relativ oft Anlagen neu geplant oder umgeplant werden

müssen – nämlich jedes Mal, wenn ein Modellwech-

sel stattfindet. Dort können wir also recht schnell sehen,

was passiert, wenn man ein ganzheitliches Engineering

einsetzt. Eine große Herausforderung stellt aktuell die

sogenannte Diensteplattform dar: Um die Potenziale von

Industrie 4.0 auszuschöpfen, muss eine solche Dienste-

plattform die Kommunikation unterschiedlicher Software

ermöglichen. Nur so wird es beispielsweise möglich, die

Erkenntnisse aus dem realen Anlagenbetrieb in die Si-

mulation zurückzuspielen und damit die Simulation für

die nächste Inbetriebnahme zu verbessern.

atp edition: Wie aktiv gehen Sie in die breite Öffentlichkeit?

DAGMAR DIRZUS: Ich möchte nur ein Beispiel nennen:

Kürzlich habe ich bei einer Anhörung im niedersächsischen

Landtag erklärt, woum es sich bei Industrie 4.0

handelt, warum das wichtig ist für Deutschland und für

Niedersachsen und welche Aktivitäten bei uns zu diesem

Thema laufen. Wir gehen hier stärker als bei anderen

Themen an die Öffentlichkeit – und wir merken: Die Öffentlichkeit

erwartet auch diese Informationen von uns.

16

atp edition: Wie lässt sich die Standardisierung voran-

treiben?

DAGMAR DIRZUS: Hier befinden wir uns noch ein Stück

weit in einer Warteposition. Standardisierung lässt sich

erst dann sinnvoll durchführen, wenn die Inhalte definiert

sind, die es zu standardisieren gilt. Einen ersten Schritt

dahin könnten Regelungen für die Diensteplattform bil-

den. Daran arbeiten wir zurzeit.

atp edition: Worin liegen die Hauptaufgaben

im dritten Bereich, der Information und Kom-

munikation?

DAGMAR DIRZUS: In der Industrie geht es,

wie ich schon erwähnte, darum, ein gemeinsames,

einheitliches Verständnis des Themas

zu schaffen. Für die breite Öffentlichkeit geht

es sicher auch darum, wie Arbeit und Ar-

beitsplätze durch Industrie 4.0 beeinflusst

werden. Denn es ist noch nicht flächende-

ckend angekommen, dass es keine menschenleere

Fabrik geben wird, sondern dass

die Arbeitsplätze erhalten und durch Industrie

4.0 sogar gesichert werden. Zu diesem

Thema richten wir nun einen Fachausschuss

ein, in dem wir in Zusammenarbeit mit dem

Fraunhofer IAO diese Frage detailliert beleuchten.

Dort werden wir auch diskutieren,

welche Qualifikation die Mitarbeiter künftig

besitzen müssen. Den Ergebnisbericht wollen

wir zur Automation 2015 vorlegen.

atp edition

7-8 / 2014

land mit hervorragenden Automatisierungsunternehmen,

bei denen es sich um Global Player handelt, sehr gut aufgestellt.

Aber wir müssen auch die Politik „mitnehmen“.

Denn eine höhere Flexibilisierung, die schneller auf Kundenwünsche

reagieren kann, erfordert vielleicht auch eine

weitere Flexibilisierung der Arbeitszeitmodelle.

atp edition: Wird Automatisierung nach der „4. industriellen

Revolution“ eher ein Thema für IT-Spezialisten sein?

DAGMAR DIRZUS: Mechanik, Elektrotechnik und IT müssen

zusammenspielen. Ich glaube nicht, dass in den nächsten

drei bis fünf Jahren der IT-Anteil zunehmen wird.

Wichtig ist aber, dass die Experten aus allen drei Bereichen

mit einander intensiv kommunizieren.

atp edition: Maschinenbauer und IT-Experten haben nicht

immer den besten Draht zu einander – funktioniert dieser

Austausch in der GMA?

DAGMAR DIRZUS: Ja, in unseren Fach-

ausschüssen kommunizieren die unterschiedlichen

Experten am Runden Tisch

sehr konstruktiv und erarbeiten dort

wichtige Ergebnisse.

atp edition:

Sehen Sie sich im Nachteil,

weil die GMA nicht in der „Plattform In-

dustrie 4.0“ vertreten ist? Zur Teilnahme eingeladen hatte

die Bundesregierung ja nur VDMA, ZVEI und Bitkom.

DAGMAR DIRZUS:

Nein. Auf der Fachebene – in unseren

Ausschüssen und mit den anderen Verbänden – arbeiten

wir sehr intensiv und erfolgreich und erzielen gute Ergebnisse.

Der ZVEI beispielsweise hat zu den vier Arbeitsgruppen

der Plattform „Spiegelgremien“ aufgesetzt, in denen

sich ein Großteil der Personen wiederfindet, die auch in

der Plattform aktiv sind, um inhaltlich nun schnell voran

zukommen. In jedem dieser Gremien ist die GMA vertreten.

atp edition:

Als wichtige Hürde für eine „smarte“ Produk-

tion wird die Absicherung der Systeme gegen Angriffe

gesehen. Wann wird es Lösungen geben?

„In einem neuen Fokusprojekt bündeln wir das

gesamte relevante Know-how, das in der GMA

zum Thema Industrie 4.0 vorhanden ist.“

DAGMAR DIRZUS: Die Bedeutung der IT Security haben

die meisten Unternehmen sehr klar erkannt. Wie weit

sie mit der Umsetzung sind, lässt sich schwer sagen.

Gerade die kleineren Unternehmen beklagen oft hohe

Kosten. Die erforderlichen Lösungen sind auf dem Markt

verfügbar, aber sie müssen auch kostengünstiger werden,

um sich flächendeckend zu etablieren. Eine wesentliche

Aufgabe in diesem Feld ist die Sensibilisierung der

Mitarbeiter für IT-Sicherheit. Denn unvorsichtiges Verhalten

kann die technische Sicherheit oft aushebeln. An

dieser Bewusstseinsbildung arbeiten wir. Aber wir sind

im Bereich der IT-Sicherheit nicht der zentrale Player.

Das Interview führten Aljona Hartstock und Gerd Scholz

ZUR PERSON

DR.-ING. DAGMAR DIRZUS

(45) studierte Maschinenbau

an der RWTH Aachen und

promovierte im Werkzeugmaschinenlabor

bei Prof. Gün-

ther Schuh. Dort arbeitete sie in

vielen Projekten auf dem Gebiet

der Produktionsplanung, -simulation

und -optimierung. Im Anschluss

war sie im Wissenstransfer

tätig, unter anderem als Ge-

schäftsführerin des WZLforums

sowie der International Academy

der RWTH Aachen. 2012 begann

Dirzus ihre Tätigkeiten im VDI Wissensforum

und entwickelte VDI-

Tagungen und Seminare im Bereich

der Automation. Mitte 2013

wechselte Sie als wissenschaftliche

Mitarbeiterin zum VDI e.V. und

koordinierte Fach- und Richtlinienausschüsse

der VDI/VDE-Gesellschaft


GMA.

Als Geschäftsführerin der GMA ist

Dirzus nun verantwortlich für die

gesamte ehrenamtliche Gemeinschaftsarbeit

dieser Fachgesellschaft.

Die GMA ist fachlicher Träger

einer Vielzahl von Veranstaltungen

im Gebiet der Mess- und

Automatisierungstechnik sowie der

Optischen Technologien. Etwa 50

VDI/VDE-Richtlinien werden jährlich

in den GMA-Gremien erarbeitet

und veröffentlicht.

atp edition

7-8 / 2014

17

BRANCHE

AALE: Fachtagung an der Nahtstelle zwischen

Hochschule und Industrie mit Wachstumspotenzial

Elfte Konferenz an der OTH Regensburg mit 170 Teilnehmern – drei Student Awards verliehen

Die AALE-Konferenz hat sich zu einem bewährten

Forum für Hochschulprofessoren und Vertreter aus

Wirtschaft und Industrie aus dem gesamten deutschsprachigen

Raum entwickelt und dient zum Erfahrungsaustausch

über moderne Konzepte, Entwicklungen

und die Lehre in der Automatisierungstechnik.

Die elfte AALE-Konferenz für Angewandte Automatisierungstechnik

in Lehre und Entwicklung (AALE)

lockte 170 Teilnehmer an die Ostbayerische Technische

Hochschule (OTH) Regensburg. Die AALE sowie ihr

Träger- und Förderverein VFAALE e. V. verstehen sich

als Schnittstelle zwischen Hochschule und Industrie.

Zwei Tage ging es an der OTH Regensburg darum,

gemeinsam mit der Industrie die neuesten Erkenntnisse

aus der Welt der Automation zu erfahren und Herausforderungen

der Lehre und Forschung zu diskutieren.

Neben zahlreichen Fachvorträgen und einer Postersession

fand eine konferenzbegleitende Ausstellung namhafter

Firmen statt, die die Möglichkeit bot, aktuelle

Produktentwicklungen auf dem Gebiet der Automatisierungstechnik

kennenzulernen. Zu den 17 Ausstellern

zählte der DIV Deutscher Industrieverlag, der auch

Printmedienpartner der AALE ist. Der zitierfähige Tagungsband

zur AALE 2014 ist beim DIV erhältlich, ebenso

wie die Tagungsbände früherer AALE-Konferenzen.

FÜNF PLENAR- UND 30 FACHVORTRÄGE

2014 wurden auf der Konferenz fünf Plenarvorträge

und 30 Fachvorträge in drei parallelen Sessions gehalten.

Deren Themen lauteten: Lehre, adaptive Systeme,

Automatisierungssysteme und -lösungen, Modellbildung

und Simulation, Kommunikation, mobile und

kollaborierende Systeme, virtuelle Inbetriebnahme,

Reglerentwurf, Robotik, Demonstratoren sowie Verifikation

und Test. Alle Fachvorträge wurden in einem

Blind-Review-Verfahren begutachtet und ausgewählt.

Abgerundet wurde die Konferenz durch ein bunt gemischtes

Begleitprogramm für die Teilnehmenden, die

aus dem gesamten Bundesgebiet anreisten. Organisiert

haben die Konferenz die Fakultät Maschinenbau und

das Zentrum für Weiterbildung und Wissensmanagement

(ZWW) der OTH Regensburg. „Wir freuen uns,

dass die inzwischen elfte AALE-Konferenz erstmalig

in Bayern stattfand und ein großer Erfolg war“, sagt

Prof. Dr. Ralph Schneider von der Fakultät Maschinenbau

der OTH Regensburg. „Als Fachkonferenz für industrielle

Automation an der Nahtstelle zwischen

Hochschule und Industrie besitzt sie ein hohes Wachstumspotenzial“,

so Prof. Dr. Schneider.

Bei der Verleihung der AALE Student Awards stand

die Jury in der Kategorie Master/Diplom vor einer seltenen

Situation. Die beiden besten eingereichten Arbeiten

waren exakt gleich gut bewertet worden. Daher

erhielten Daniel Geweth von der TH Mittelhessen sowie

Josef Wittmann von der HS München beide die Auszeichnung.

Gesponsert wurde das Preisgeld in Höhe

von 1000 Euro von BASF. Geweth hatte sich mit der der

Optimierung von Regelungsstrukturen für Parallelstrukturen

befasst. Wittmanns Thema waren Drehzahlregelung

und Fehlerdetektion für Fahrzeugschiebedächer

mit Positionssensoren niedriger Auflösung unter

Verwendung eines adaptiven Multiraten-Beobachters.

In der Kategorie Bachelor erhielt Alexander-Nicolai

Köhler von der HS Fulda die mit 500 Euro dotierte Auszeichnung

für seine Arbeit zu Untersuchungen zur

Regelung der relativen Luftfeuchte in einer Vitrine.

Dieser Preis wurde von Phoenix Contact gestiftet.

AB 2015 MIT OPTMIERTEM INHALTLICHEN KONZEPT

Für die künftigen AALE-Konferenzen soll das inhaltliche

Konzept etwas verändert werden. Das Konferenzprogramm

konzentrierte sich bisher weniger auf eine

übergreifende Fachspezifik, sondern mehr auf Fachbeiträge

in Zusammenarbeit von Hochschulen und Industrie.

Die meisten Fachbeiträge kommen aus Hochschulen,

flankiert von einigen Plenarvorträgen aus Industrie

und Verbänden zu übergreifenden Themen. Es

werden Beiträge zu Themen aus allen Gebieten mit Bezug

zur Automatisierungstechnik akzeptiert: Trends in

der Automatisierungstechnik, Forschungs- und Entwicklungsarbeiten,

Kooperationen zwischen Hochschule

und Industrie sowie Lehre und Ausbildung, Didaktik

und MINT-Projekte. Zukünftig soll die Konferenz nun

stärker auf ein aktuelles Leitthema ausgerichtet werden.

Die AALE 2015 findet vom 4. bis 6. März 2015 an der

FH Jena statt. Die Organisation übernimmt der Fachbereich

Elektro- und Informationstechnik in Zusammenarbeit

mit dem VFAALE. In Jena werden zirka 200 Teilnehmer

und 20 Industrieaussteller erwartet. Das Auswahlverfahren

für die Beiträge wird verschärft (Double-Blind-Peer-Review),

um die fachliche Qualität der

Beiträge weiter zu erhöhen. Die Konferenz wird auch

in Jena mit einem attraktiven Rahmenprogramm (Galadinner

in der Sternwarte, historische Stadtführung,

Besuch von Weimar) abgerundet. Die Teilnehmergebühr

von 70 Euro wird nicht steigen.

ZAHL DER MITGLIEDSFIRMEN SOLL WACHSEN

Bis dahin hat sich der VFAALE einiges vorgenommen.

Zu den Aufgaben, die sich Vorstand und Beirat gesetzt

haben, gehören unter anderem die aktive Werbung weiterer

Mitgliedsfirmen. Ende April lag der Mitgliederstand

bei 47, davon 16 Unternehmen, ein Verlag, zehn Fachhochschulen

und 20 Privatpersonen. Zudem soll erreicht

werden, dass Mitglieder auf ihren Messeständen Werbung

für den VFAALE machen. Organisiert werden soll

auch ein Kurzbeitrag in allen relevanten Zeitschriften.

Auch die gemeinsamen Aktivitäten mit Industrieverbänden

sollen ausgebaut werden. So will man auch mit wichtigen

Verbänden wie beispielsweise Namur, VDI/VDE-

GMA, VDMA und ZVEI über eine Strategie der Zusammenarbeit

und gemeinsame Aktivitäten diskutieren.

18

atp edition

7-8 / 2014

BESTE BACHELOR-ARBEIT: Alexander-Nicolai Köhler von der

HS Fulda erhielt einen AALE Student Award für seine Arbeit

zur Regelung der relativen Luftfeuchte in einer Vitrine.

35 VORTRÄGE

zu Themen

an der

Schnittstelle

zwischen

Hochschule

und Industrie

hörten die

Teilnehmer der

AALE 2014.

170 TEIL-

NEHMER

besuchten

die elfte

AALE-Fachkonferenz,

die diesmal

an der OTH

Regensburg

stattfand.

BESTE MASTERARBEIT: Daniel Geweth von der TH Mittelhessen

sowie Josef Wittmann von der HS München reichten

die besten Arbeiten in der Kategorie Master/Diplom ein und

wurden mit AALE Student Awards geehrt. Bilder: OTH Regensburg

Zudem will sich der VFAALE als Mitorganisator

oder Unterstützer von nationalen und internationalen

Fachkonferenzen zur Automationstechnik profilieren.

Diskutiert werden soll auch eine Zusammenarbeit mit

dem neu gegründeten New Automation e. V. im Bildungsbereich.

Zur Verbesserung der Zusammenarbeit

zwischen Fachhochschulen und Universitäten im Bereich

der Automatisierungstechnik soll ein Meeting

des VFAALE-Vorstandes und des Beirats mit Universitätskollegen

beitragen.

In Zusammenarbeit mit dem AALE-Beirat soll der

AALE Student Award öffentlich noch besser bekannt

gemacht werden, damit die Zahl der Bewerbungen für

den Preis weiter zunimmt. Ziel ist es, so viele Bewerbungen

zu erreichen, dass insgesamt drei Preisträger

in den Kategorien Projektarbeit, Bachelor-Arbeit und

Master-Arbeit vergeben werden können. Die Akquise

über die Hochschulen und deren Vertreter soll verstärkt

werden. Das Begutachtungsverfahren wird 2014

weiter optimiert.

Der Vereinsvorstand wird zudem die Arbeit der AGs

Bachelor und Promotion unterstützen. Das Ziel lautet

hier, in 2014 ein Beispiel-Curriculum Bachelor zur breiten

Diskussion zu entwickeln.

Und nicht zuletzt wird sich der VFAALE aktiv an der

Vorbereitung der AALE 2015 an der FH Jena beteiligen

und die AALE 2015 auch wieder finanziell unterstützen.

AUTOR

GERD SCHOLZ

arbeitet als freier Journalist

für atp edition.



Tel. +49 (0) 89 203 53 66 78,

E-Mail: GerdScholz@t-online.de

atp edition

7-8 / 2014

19

PRAXIS

Intelligente Stromversorgungen erleichtern

Prüfabläufe in der Forschung

Im Fehlerfall erfolgt eine sichere Abschaltung

DIE PRIMÄRSCHALTREGLER der 1,2-kW-Klasse

eignen sich als Prüf-, Test- oder Laborgerät für

Forschungseinrichtungen.

DIE LEISTUNG DER STROMVERSORGUNG

lässt sich programmieren.

Zeit möglichst effektiv zu nutzen und gleichzeitig

Fehlerquellen auszuschließen, ist eine Grundvoraussetzung

für die meisten Test- und Prüfaufbauten oder

Forschungsprojekte. Eine weitere Forderung ist oft eine

große Flexibilität. Vielfach sollen mit ein und derselben

Anordnung komplexe Betriebsabläufe, Kräfte- und Belastungsverläufe

unter sich verändernden Rahmenbedingungen

gefahren werden. Intelligente, über digitale

und analoge Schnittstellen programmierbare Stromversorgungen

werden hier zum Problemlöser. Diese Stromcomputer

bearbeiten zuvor definierte Abläufe eigenständig

und tragen auch in anderer Hinsicht dazu bei, den

Gesamtaufwand zu minimieren. Das Spektrum reicht

hier von der integrierten elektronischen Last bis hin zur

funktionalen Sicherheit.

FLEXIBLE STROMVERSORGUNG FÜR SIMULATIONEN

Was haben Hochleistungsakkumulatoren, Motor-, Airbag-

und Bordsteuergeräte, elektrische Antriebe oder

Trafos gemeinsam? Sie alle werden umfangreichen, elektrischen

Simulationsprüfungen unterzogen, um zu erkennen,

wie die eingesetzten Bauteile auf sämtliche im

späteren Einsatz vorkommenden Belastungsfaktoren

reagieren. Dies erfordert flexible Prüfgeräte, die zum Beispiel

bei Tests unter rauen Umgebungsbedingungen wie

Feuchte-, Temperatur, Vibrationen oder Schocks das elektrische

Umfeld nachbilden, um die Elektronik für den

harten Einsatz zu prüfen. An die eingesetzten Stromversorgungen

stellt dies besondere Anforderungen. Zum

einen, weil sie die Voraussetzung für eine sichere und

stabil den Vorgaben folgende Spannungsversorgung sind,

die wiederum unabdingbar für reproduzierbare Testergebnisse

ist. Zum anderen sollten die Stromversorgungen

selbst ein hohes Maß an Flexibilität bieten.

Unterschiedliche Geräte zu prüfen, bedeutete bisher

auch unterschiedliche Anforderungen an die Stromversorgungen,

die nicht nur stabile Ausgangsspannungen

liefern, sondern auch auf den jeweiligen Leistungsbedarf

abgestimmt sein müssen. Auf wechselnde

Prüflinge oder Abläufe zu reagieren, war damit zeitaufwendig,

zumal meist noch manuelle Einstellarbeiten

zu erledigen waren. Bei den normalerweise üblichen,

analog programmierbaren Stromversorgungen kann

man lediglich Sollwerte aus der Ferne einstellen oder

die jeweiligen Ist-Werte abfragen. Für viele Prüfabläufe

sind diese Möglichkeiten keineswegs ausreichend und

ein solches Vorgehen ist daher wenig praktikabel. Mit

der Baureihe Energy 1200 bietet die Firma Kniel Stromversorgungen,

die sich über unterschiedliche digitale

Schnittstellen programmieren lassen.

VON DER STROMVERSORGUNG ZUM „STROMCOMPUTER“

Die Primärschaltregler der 1,2-kW-Klasse eignen sich

dadurch als Prüf-, Test- oder Laborgerät. Der Anwender

kann hier nicht nur für Strom, Spannung und Leistung

Soll- und Grenzwerte definieren, sondern auch unterschiedliche

Sequenzen programmieren, die die Stromversorgung

dann selbsttätig abarbeitet. Auch die Pro-

20

atp edition

7-8 / 2014

grammabläufe mehrerer Geräte lassen sich präzise

synchronisieren, was bei größeren Anlagen viel Aufwand

spart. Die für die jeweilige Aufgabe notwendigen

Einstellungen werden zuvor programmiert und sind

dann automatisch abrufbar. Man muss also während

eines Ablaufs oder Versuchs an der Stromversorgung

keine Einstellungen manuell verändern und kann bei

verschiedenen Abläufen einfach zwischen innerhalb

des Gerätes hinterlegten Programmen umschalten.

Da die Geräte sowohl als Stromquelle als auch als

Stromsenke arbeiten, sind Akkutests ein wichtiges Einsatzgebiet.

Mit ihnen lassen sich dann zum Beispiel

mehrere parallel geschaltete Batteriezellen sehr sensibel

mit der notwendigen Spannung versorgen und präzise

vorgegebene Lade- und Entladesequenzen zyklisch

abarbeiten. Ein ebenfalls typischer Anwendungsbereich

sind Bordnetzsimulationen im Bereich der Kfz-

Elektronik. Hier kann die Stromversorgung zum Beispiel

die temperaturabhängigen Eigenschaften von

Batterien simulieren, ebenso wie den typischen Spannungseinbruch

bei Motorstart oder beim Zuschalten

starker Verbraucher wie zum Beispiel Klimaanlage oder

Heckscheibenheizung. Praxisgerecht ist die integrierte

Stromsenke beziehungsweise Entladeschaltung auch

zur schnellen Entladung des Ausgangskreises. Ein Anwendungsbeispiel

ist die Entladung der Rückspeisenergie,

wenn Motoren im Bremsbetrieb geprüft werden.

Damit die angeschlossene, empfindliche Elektronik

beim Betrieb oder beim Testen nicht durch versehentlich

falsch programmierte Sollwerte zerstört wird, können

in der Stromversorgung Grenzwerte (Limits) eingestellt

werden. Auf diese Weise werden untere und

obere Spannungs- und Stromwerte für die Sollwerte

begrenzt. Damit sich auch bei den eingestellten Istwerten

kein bedrohlicher Betriebszustand für die Prüflinge

ergeben kann, lassen sich Überwachungswerte

(Protection) setzen. Diese Schutzfunktionen legen den

unteren beziehungsweise oberen Spannungs-, Stromund

Leistungsüberwachungswert fest. Wird ein Istwert

außerhalb der zulässigen Fenstereinstellungen detektiert,

gibt es eine Fehlermeldung und der Geräteausgang

der Stromversorgung wird deaktiviert. Die Stromversorgung

kann aber auch als Konstantstromquelle ohne

Fensterbereich arbeiten. Zu diesem Zweck wird der

E I N L A D U N G

Messtechnik Regeltechnik Steuerungstechnik Prozessleitsysteme

Mittwoch, 17. September 2014

8:00 bis 16:00 Uhr

Friedrich-Ebert-Halle

Erzbergerstr. 89

67063 Ludwigshafen

Führende Fachfirmen der Branche präsentieren ihre Geräte und Systeme und

zeigen neue Trends in der Automatisierung auf. Die Messe wendet sich an

alle Interessierten, die auf dem Gebiet der Mess-, Steuer- und Regeltechnik

sowie der Prozessautomation tätig sind.

Der Eintritt zur Messe, die Teilnahme an den Workshops und der Imbiss

sind für die Besucher kostenlos.

Weitere Informationen finden Interessierte auf unserer Internetseite.

www.meorga.de

info@meorga.de

MEORGA GmbH

Sportplatzstraße 27

66809 Nalbach

Tel. 06838 / 8960035

Fax 06838 / 983292

atp edition

7-8 / 2014

21

PRAXIS

CONDITION

(ro)

verzögerte WARNUNG

EVENT

(ro)

FAULT INDICATION

(ro)

“CC“ aktiv

1 1

1

3

wird nichtinvertiert

“1“ wird verzögert

wird nicht

weitergegeben

weitergegeben

weiterverarbeitet

1 4,0 s

3

LOGIC

(rw: 0/1/3)

DELAY

(rw: 0,005 .. 65535s)

FAULT STATE

(rw: 1/3)

Einstellungen durch den Anwender

EINSATZ ALS KONSTANTSTROMQUELLE: Das Gerät

meldet, wenn der Stromregler länger als 4 s aktiv ist.

CONDITION

(ro)

EVENT

(ro)

FAULT INDICATION

(ro)

“CV“ inaktiv

0

0 10 s

1

LOGIC

(rw: 0/1/3)

wird invertiert

weitergegeben

1

DELAY

(rw: 0,005 .. 65535s)

“1“ wird verzögert

weitergegeben

1 1

wird direkt

weitergegeben

FAULT STATE

(rw: 1/3)

ERROR

(führt zur Abschaltung

des Geräteausgangs)

DER GERÄTEAUSGANG wird deaktiviert, wenn der

Spannungsregler länger als 10 s inaktiv ist.

Strom-, Spannungs- oder Leistungsregler überwacht.

Bei inaktivem Regler wird dann eine entsprechende

Meldung generiert.

SICHERE ABSCHALTUNG IM FEHLERFALL

Medizintechnische Anwendungen, Prüfaufbauten oder

Fertigungseinrichtungen bei denen Anlagensicherheit

eine wichtige Rolle spielt, können von weiteren Eigenschaften

der Stromcomputer profitieren. So erfüllen die

Stromversorgungen die Anforderungen nach funktionaler

Sicherheit gemäß EN/IEC 62061 SIL2 und EN ISO

13849-1, Performance Level (PL) d. Zwei geprüfte und

zertifizierte Enable-Eingänge sorgen für eine sichere

Abschaltung im Fehlerfall. Der Anwender muss also

die Anlagen- oder Maschinensicherheit nicht über andere

Wege realisieren; es reicht, die Stromversorgung

abzuschalten. Gerade bei Test- und Prüfaufbauten kann

sich so der Abnahmeaufwand deutlich reduzieren.

Außerdem sind die Interlock-Funktionalität (Wiederanlaufsperre)

des Enable-Eingangs und das Wiedereinschaltverhalten

des Geräteausgangs (save power on)

konfigurierbar; damit ist ein bewusstes Wiedereinschalten

möglich. Der Anwender kann also wählen, wie die

Stromversorgung nach einem Stillstand wieder starten

soll. Sinnvoll in einigen Applikationen kann auch die

bei Bedarf aktivierbare Ladestromkompensation sein.

Ist sie aktiviert, wird der Stromsollwert automatisch so

angepasst, dass an der angeschlossenen Last auch während

der Ladephase der internen Ausgangskapazität der

gesamte programmierte Strom verfügbar ist.

PROGRAMMIERUNG AUCH AUS DER FERNE

Die intelligenten Stromversorgungen lassen sich auch in

anderen Bereichen einsetzen, zum Beispiel an Teilchenbeschleunigern

(Beamlines) oder in der Lasertechnik.

Sie sind für den rauen industriellen Einsatz ausgelegt

und regeln sehr präzise. Integrierte Filter sorgen für geringe

Ripple- und Störüberlagerung des Ausgangs. Im

Temperaturbereich zwischen -20 und +50 °C kann die

volle Nennleistung dauerhaft, also ohne Derating, entnommen

werden. Die Geräte sind dauerkurzschlussfest

und schalten sich bei thermischer Überlastung automatisch

ab. Weitere Features sind ein Power-Fail-Signal,

aktive Lastaufteilung bei Parallelschaltung oder Redundanzbetrieb

mehrerer Stromversorgungen, Störmeldung

bei Übertemperatur sowie eine 5-V-Hilfsspannung. Dank

der intelligenten Stromversorgungen lassen sich folglich

elektrische Simulationen, Prüfungen in vielen Bereichen

effektiver und damit wirtschaftlicher gestalten, aber

auch zahlreiche andere Abläufe, bei denen es auf eine

präzise Versorgung ankommt, werden einfacher.

Dazu trägt die Programmierung bei: Standardmäßig

sind die Stromversorgungen mit RS232, USB und CAN-

Open-Schnittstelle ausgestattet. LAN-Schnittstelle und

die bereits erwähnte 5-V-Analog-Schnittstelle gibt es

als Option. Bereits vorhandene analoge Messkarten der

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DIE STROMVERSORGUNG lässt sich aus der

Ferne oder direkt am Gerät programmieren.

ALS OPTION ist ein

Handbedienteil erhältlich

Bilder: Kniel

Anwender lassen sich dann weiter nutzen. Falls gewünscht,

kann man die Stromversorgungen auch

direkt am Gerät oder mit einer als Option erhältlichen

Handbedieneinheit programmieren. Letzteres

kann in puncto Sicherheit Vorteile bringen, da

am Gerät selbst dann nichts mehr versehentlich

verstellt werden kann.

AUTOR

DIETER BRETSCHNEIDER

ist Geschäftsführer

bei Kniel System-Electronic

GmbH in Karlsruhe.

Kniel System-Electronic GmbH,

Kurzheckweg 8, D-76187 Karlsruhe,

Tel. +49 (0) 721 959 21 13,

E-Mail: d.bretschneider@kniel.de

PRAXIS

Neues Sicherheitsschaltgerät bietet Gesamtlösung

in Vormontageanlagen bei Continental

Geräte auf Anforderungen gemäß Europäischer Maschinenrichtlinie ausgelegt

IM WERK FRANKFURT ging die neue

Vormontageanlage P104 für ein kleines

EBS-Ventil Ende 2013 in Betrieb –

mit innovativer Sicherheitstechnik.

MARKUS MÜLLER (li.), Leiter Energie- und

Automatisierungstechnik bei Continental,

und Jens Maurer (re.), Projekteur bei der

Herbert Betz GmbH & Co. KG, sind sich einig:

„Das neue Sicherheitsschaltgerät bringt

uns viele Vorteile in Bezug auf Konstruktion,

Verdrahtung, steuerungs technische

Flexibilität und Service.“

JEDE DOPPELSTATION in der Vormontageanlage

besitzt einen Schaltkasten, weshalb

der Vorteil des geringen Platz bedarfs beim

Einsatz des neuen Sicherheitsschaltgeräts

Sirius 3SK1 von Siemens sehr wichtig war.

DAS SICHERHEITSSCHALT-

GERÄT 3SK1 ist durch die vier

Dip-Schalter an der Gehäusefront

flexibel einsetzbar.

Signalerweiterungen lassen

sich über entsprechende Zusatzmodule

ohne Verdrahtungsaufwand

erreichen. Bilder: Siemens

Elektronische Bremssysteme liegen im Trend, denn

sie schaffen ein hohes Maß an Sicherheit für Fahrer

und Fahrzeug. Continental gehört zu den führenden

Herstellern solcher Systeme. Im Zuge von Produktionserweiterungen

kam erstmals eine innovative Sicherheitslösung

in den neuen Vormontagelinien zum Einsatz:

ein modular erweiterbares Sicherheitsschaltgerät,

das kompakt, flexibel sowie schnell zu installieren ist.

Der Trend zu elektronischen Bremssystemen in Kraftfahrzeugen

ist ungebrochen. Sie sorgen für ein sicheres

Abbremsen bis zum Stillstand. Eines dieser elektronischen

Module (EBS) heißt bei Continental MK100. Das

Bremssystem ist skalierbar und kann an die Fahrzeuggröße

angepasst werden. Diese Einheiten werden im Werk

Frankfurt hergestellt. Der dazu notwendige Automatisierungsgrad

ist hoch und liegt in diesem Bereich bei über

95 Prozent. „Vor allem in der Vormontage zeigt sich die

hohe Kunst, viele, teils extrem kleine Bauteile möglichst

rationell und qualitätsbewusst zu verbauen“, sagt Markus

Müller, Leiter der Abteilung Energie- und Automatisierungstechnik,

im Werk Frankfurt von Continental.

Im Zuge von Kapazitätserweiterungen wurde unter

anderem eine neue Vormontagelinie für ein zirka 4 cm

langes MK100-Ventil gebaut. Diese läuft seit Ende 2013

im Produktivbetrieb. Bei Vormontagelinien für kleine

Bauteile werden kurze Taktzeiten erreicht. „Nach meiner

Erfahrung gehört die Vormontage zu den Königsdisziplinen

innerhalb der Automatisierung, weil dort die

Aufgabenstellung aus schnellen Zyklen und komplexen

Kleinteilen sehr anspruchsvoll ist“, sagt Jens Maurer aus

der Elektrokonstruktion bei der Herbert Betz GmbH &

Co. KG in Schotten-Eschenrod bei Frankfurt.

SICHERHEITSTECHNIK FÜR RISIKOBEURTEILUNG

Der Dienstleister mit etwa 160 Mitarbeitern unterstützt den

Automobilzulieferer seit vier Jahrzehnten gewissermaßen

als verlängerte Werkbank bei der Entwicklung und dem

Bau leistungsfähiger Produktionslinien. Wichtig ist neben

der Produktivität die Anlagen- und Betriebssicherheit, die

mit Hilfe moderner Sicherheitstechnik erreicht wird.

Das Sicherheitsschaltgerät Sirius 3SK1 von Siemens

kommt erstmals in der neuen Vormontagelinie zum Ein-

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atp edition

7-8 / 2014

satz. Jede der etwa 30 Stationen innerhalb der Vormontagelinie

bekam eine eigene Risikobeurteilung gemäß

Europäischer Maschinenrichtlinie, die die Sicherheitstechnik

entsprechend komplex macht. „Kein Problem“,

sagt Maurer, „denn die neuen Geräte sind genau für

solche Aufgabenstellungen entwickelt worden.“ Einer

der Vorteile des Geräts ist seine Breite von 22,5 mm, da

in Vormontagelinien meist nur wenig Bauraum für die

Elektrotechnik zur Verfügung steht. Kompakter ist das

Advanced-Grundgerät Mini mit 17,5 mm Baubreite.

RÜCKWANDBUS ERLEICHTERT SIGNALERWEITERUNGEN

Ein sich selbst aufbauender Rückwandbus vereinfacht

Signalerweiterungen. Erweiterungsmodule müssen

nicht zusätzlich verdrahtet werden: Die Geräte werden

nicht direkt auf der Hutschiene montiert, sondern auf

den dazu gehörigen Träger gesteckt.

Als weitere Verbesserung zu der bisher eingesetzten

Lösung sehen die Experten auch die hohe Flexibilität des

Sirius-3SK1-Geräts. Zum Beispiel mussten bisher eigene

Lösungen eingesetzt werden, wenn es um die Überwachung

der Schutztürkontakte ging. Denn das Sicherheitsschaltgerät

für den Not-Aus-Taster war nicht in der Lage,

Türkontakte mit Schließer-Öffner-Funktion zu überwachen.

Das gleiche Problem bestand beim Einsatz von Reed-

Kontakten. „Mit der neuen Lösung können wir sämtliche

Türkontaktschalter, die wir hier standardmäßig einsetzen,

mit einem einzigen Gerätetyp absichern“, sagt Müller.

AN VIELEN STELLEN ZEIT SPAREN

Die Betriebstechnik-Mitarbeiter brauchen außerdem weniger

Zeit, wenn sie ein Gerät austauschen. Etwa 20 Prozent

schneller gehe ein Wechsel, so die Einschätzung.

Mehr Zeit werde bei der Elektrokonstruktion gespart.

Der Grund dafür liegt in der Unterstützung durch die Firma

Siemens, die viele der notwendigen Informationen wie

Maße, CAD-Zeichnungen, Dokumentation und weitere im

Daten-Workflow bereitstellt. Maurer sagt: „Seit wir unsere

Elektrokonstruktion auf Eplan P8 umgestellt haben, lassen

sich gewisse Arbeiten erheblich komfortabler erledigen.“

Dazu gehört das Einlesen der so genannten EDZ(Eplan

Data Zip)-Dateien, die Siemens für seine Geräte zur Verfügung

stellt. Diese können über eigene Makros auf

Knopfdruck in das System eingepflegt werden. Obwohl

es Elektrokonstrukteure gewohnt sind, bei wiederkehrenden

Bauteilen entsprechende Makros selbst zu

schreiben, sieht Maurer jedoch einen Zeitvorteil von

zirka 30 Prozent bei Verwendung der Siemens-Makros.

Gegenüber der manuellen Suche aller benötigen Unterlagen

beziehungsweise Zeichnungen und Informationen

erkennt er bei der Verwendung der EDZ-Makros

eine Zeitersparnis von rund 80 Prozent pro Gerät.

GESAMTLÖSUNG FÜR JE ZWEI STATIONEN

Der grundsätzliche Aufbau der Sicherheitstechnik in

der neuen Vormontageanlage sieht vor, dass drei Si-

cherheitsschaltgeräte jeweils zwei gleichartigen Stationen,

die zur Minimierung der Zykluszeit notwendig

sind, zugeordnet sind. Die Geräte befinden sich in

einem Schaltkasten, der zu den beiden Stationen gehört.

Ein Grundgerät überwacht die Schutztüren der

beiden Stationen, jeweils ein weiteres Grundgerät überwacht

die Not-Aus-Funktion in einer Station. Ideal ist

deshalb aus Sicht der beiden Automatisierungsspezialisten

die Möglichkeit der flexiblen Anpassung der

Grundgeräte an die vorhandenen Aufgabenstellungen.

Sie besitzen vier Dip-Schalter, welche die individuelle

Zuordnung innerhalb der Sicherheitskette ermöglichen.

Schalter eins ist bei der Anlage so eingestellt, dass

nach dem Schließen der Schutztür ein automatischer

Wiederanlauf erfolgt. Mit Dip-Schalter zwei lässt sich

die Querschlusserkennung aktivieren, die bei der Anlage

eingestellt ist. Mit der dritten Auswahlmöglichkeit

wird definiert, ob zwei Sensoren einkanalig überwacht

werden, oder ein Sensor zweikanalig, wie es bei der Vormontageanlage

der Fall ist. Auch hier erweist sich das

3SK1 als innovatives Gerät mit Rationalisierungspotenzial.

Denn bei der bisherigen Lösung mit Sicherheitsschaltgeräten

hätte man von zweikanalig auf einkanalig

zusätzliche Hardwarebrücken verdrahten müssen.

Und der vierte Dip-Schalter gibt dem Anlagenbetreiber

die Freiheit, nach einem Stopp mit oder ohne Anlauftestung

weiterzuarbeiten. Diese Option wird bei Continental

dafür genutzt, um nach einer Stromabschaltung den

Not-Aus-Taster auf seine Funktionsfähigkeit zu überprüfen.

Erst wenn dieser gedrückt worden ist, gibt das Sicherheitsschaltgerät

den Zyklus wieder frei.

Es ist wahrscheinlich, dass die Vormontagelinie

Nachahmer bekommt. „Oft konstruieren wir eine Montagelinie,

die dann mehrfach vervielfältigt wird und in

anderen Produktionswerken weltweit zum Einsatz

kommt“, sagen Müller und Maurer.

AUTOR

Dipl.-Ing. RALPH SCHADE ist

Senior Projektmanager Branchenvertrieb

Auto mobil im Bereich

Industry Auto mation bei Siemens

in Frankfurt.

Siemens AG,

Rödelheimer Landstr. 5-9,

D-60478 Frankfurt am Main,

Tel. +49 (0) 69 797 27 99,

E-Mail: ralph.schade@siemens.com

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25

PRAXIS

Intelligente Feldbusinstallationen bieten optimalen

Fehlerschutz und maximale Anlagenverfügbarkeit

Diagnosefähige Gerätekoppler der neuesten Generation erkennen und isolieren Störungen proaktiv

ÜBERWACHUNG DER

FELDBUSPHYSIK AN JEDEM

AUSGANG: Die neue

Feldbarriere kann auch

schleichende Veränderungen

in der Installation und Störungen melden.

DIE ZUVERLÄSSIGKEIT STEIGT WEITER: Eine neue

Generation von Feldbuskomponenten erlaubt einen

weiteren Schritt zur 100-prozentigen Verfügbarkeit.

FEHLER PROGRESSIV

ERKENNEN UND ISOLIEREN:

Der FieldConnex-Segment

Protektor ist ein zentraler

Baustein der intelligenten

Feldbusinstallation in der

Zone 2 oder in Bereichen

ohne Explosionsschutz.

Bilder: Pepperl+Fuchs

Wenn es darum geht, Fehler proaktiv zu erkennen

und sicher zu beherrschen, sind Intelligente Feldbusinstallationen

das Mittel der Wahl. Mit einer neuen

Generation diagnosefähiger Gerätekoppler ist nun das

Ideal der hundertprozentigen Verfügbarkeit wieder einen

Schritt näher gerückt.

Wegen ihrer hohen Zuverlässigkeit sind Feldbussysteme

in allen Bereichen der Prozessautomation im

Einsatz. Doch selbst bei der verlässlichen Kommunikation

über Feldbus kann es zu Fehlern kommen. In mehrjährigen

Studien hat Pepperl+Fuchs daher genau untersucht,

wie diese Fehlerszenarien aussehen und welche

ganz konkreten Maßnahmen davor schützen. Die dabei

gewonnenen Erkenntnisse sind nun in die neuen diagnosefähigen

Gerätekoppler und die FieldConnex-Feldbarriere

von Pepperl+Fuchs eingeflossen.

AUCH SEHR SELTENE FEHLER WURDEN UNTERSUCHT

Zu den Fehlern, die in der Praxis häufiger vorkommen,

zählen Spannungsspitzen, die durch Blitzschlag entstehen.

Auch langsame Änderung des Signalpegels

durch eindringende Feuchtigkeit oder Kontaktprellen

zählen zu den typischen Fehlerszenarien.

Wird zum Beispiel ein Kabel beim Gerätetausch im

laufenden Betrieb durch die Verschraubung gezogen,

kann es zu einem kurzschließenden Prellen kommen.

Treten diese stark dynamischen elektrischen Impulse

nur sehr kurz auf, sind davon nur einzelne Feldbustelegramme

betroffen – aufgrund der im Protokoll definierten

Wiederholung der Datenübertragung bleibt eine

solche Störung ohne Folgen. Dauert das Prellen aber

länger an, kann es zu Kommunikationsfehlern mit

mehreren Teilnehmern kommen. Derartige Störungen

können im schlimmsten Fall sogar zum ungewollten

Abschalten der gesamten Anlage führen.

Doch nicht nur solche eher typischen Szenarien wurden

in den Studien untersucht. Es galt auch, Fehlern

auf die Spur zu kommen, deren Auftreten relativ unwahrscheinlich

ist. Selbst wenn Anlagenbetreiber

kaum mit solchen Vorkommnissen rechnen müssen, ist

es doch entscheidend, sie beherrschbar zu machen. Nur

so ist es möglich, die maximale Verfügbarkeit einer

Anlage zu gewährleisten.

STÖRUNGEN VORAUSSCHAUEND HANDHABEN

Ein sicherer Weg, diese Fehlerszenarien zu beherrschen,

ist eine vorausschauende und automatisierte

Handhabung von Fehlern durch intelligente Installation.

Dabei passt sich die Feldbusinfrastruktur durch

fehlertolerante Technologie den tatsächlichen Anforderungen

im täglichen Betrieb an. Für den Anwender

heißt das zum Beispiel: Geräteaustausch mit maximalem

Komfort, ohne zusätzliche Vorkehrungen und ohne

das Risiko eines Segmentausfalls.

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atp edition

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Wichtiger Bestandteil solch intelligenter Feldbusinstallationen

sind die diagnosefähigen FieldConnex-

Gerätekoppler, deren neueste Generation eigens dafür

entwickelt wurde, Fehler proaktiv zu erkennen und zu

isolieren, bevor sie zu einem Ausfall führen können.

So gewährleisten sie, dass die Anlage vor einer Vielzahl

der genannten Fehler geschützt ist. Auf diese Weise

wird beispielsweise auch sichergestellt, dass Wartungsarbeiten

an der Installation ohne negative Rückwirkung

auf den Anlagenbetrieb bleiben.

FieldConnex-Gerätekoppler erkennen die spezielle

Dynamik von Signalen, die durch Kontaktprellen, oder

durch die Vibration loser Kontakte hervorgerufen werden

und können diese von regulären Feldbussignalen

unterscheiden. So sind sie in der Lage, typische Mängel

in der Installation zu finden und zu isolieren. Der betroffene

Ausgang wird vorübergehend abgeschaltet, um

die Feldbuskommunikation vor Störungen zu schützen.

DER PHYSICAL LAYER WIRD OPTIMAL ÜBERWACHT

Selbst schwer aufzuspürende temporäre Fehler, wie

zum Beispiel nachlassende Signalpegel bei eindringendem

Regenwasser, werden so gefunden und isoliert.

Der Physical Layer wird auf diese Weise optimal überwacht,

zeitraubende Fehlersuche wird vermieden und

die Anlagenverfügbarkeit deutlich erhöht.

Noch sicherer, zuverlässiger und für den Nutzer noch

komfortabler werden die Feldbusinstallationen im Betrieb

künftig durch die neue FieldConnex-Feldbarriere

(R4D0-FB-IA). Denn mit diesem neuen Baustein ist erstmals

eine Überwachung der Feldbusphysik an jedem

Ausgang der Feldbarriere möglich. So können auch

schleichende Veränderungen in der Installation und

Störungen in die Leitwarte gemeldet werden. Dieses

Monitoring gewährleistet ein noch höheres Maß an

Transparenz und schließt eine wichtige Lücke in der

Überwachung, denn es zeigt notwendigen Instandhaltungsbedarf

proaktiv auf.

Eine entscheidende Neuerung ist auch das ausgefeilte

Lastmanagement der Feldbarriere. Die zwölf Ausgänge

starten sequentiell und mindern damit die Belastung

der Stromversorgung durch den Einschaltstrom. Erreicht

der Segmentstrom kritische Werte, erfolgt ein

automatischer Lastabwurf der weniger kritischen Busteilnehmer

und schützt so vor dem Ausfall des ganzen

Segments.

FELDBARRIERE MIT SELBSTÜBERWACHUNG

Komplettiert wird die integrierte Intelligenz durch die

Selbstüberwachungsfunktion der Feldbarriere, die

ebenfalls Meldungen in die Leitwarte übertragen

kann. Die Feldbarriere selbst wird typischerweise in

Zone 1/Div. 2 installiert. Feldinstrumente können in

Zone 0/Div. 1 installiert werden.

Auch der FieldConnex-Segment Protektor verfügt

über die Fähigkeit, Fehler progressiv zu erkennen und

zu isolieren. Damit ist er ebenfalls ein zentraler

Baustein jeder intelligenten Feldbusinstallation in der

Zone 2 oder in Bereichen ohne Explosionsschutz. Die

neue, überarbeitete Version (F2-SP-IC) im kompakten

Aluminiumgehäuse ist der kleinste Gerätekoppler, der

auf dem Markt verfügbar und so besonders für beengte

Verhältnisse geeignet ist. Die Form der Anschlüsse

kann frei gewählt werden – möglich sind Federzugoder

Schraubklemmen.

STATUS-LEDS JEDERZEIT VON AUSSEN SICHTBAR

Ein Plus in puncto Anlagensicherheit und komfortabler

Handhabung stellt auch das neue LED-Konzept dar: Die

Status-LEDs sind dank des neuen Gehäusedesigns zu

jeder Zeit von außen sichtbar. Das ermöglicht die

schnelle Diagnose auf einen Blick und spart sowohl

Zeit als auch Kosten bei der Wartung vor Ort.

Der neue FieldConnex-Segment-Protektor ist geeignet

für den Einsatz in Zone 2/Div. 2 und im Nicht-Ex-

Bereich. Die Geräteanschlüsse sind eigensicher Ex ic

für die Zone 2/Div. 2. Gesichert mit zusätzlichen

Zündschutzarten für den Explosionsschutz können

auch in Zone 1/Div. 1 eingebaute Feldgeräte angeschlossen

werden.

Beide FieldConnex-Gerätekoppler arbeiten völlig autark

und ganz ohne Konfiguration. Sie ergänzen die

Familie der diagnosefähigen Intelligent Fieldbus-Komponenten

in idealer Weise. Die innovativen Features

sind ein weiterer, wichtiger Schritt auf dem Weg zum

Ideal der hundertprozentigen Verfügbarkeit.

AUTOR

ANDREAS HENNECKE

ist Produktmarketingmanager

im Geschäftsbereich

Prozessautomation

bei Pepperl+Fuchs.

Pepperl+Fuchs GmbH,

Lilienthalstraße 200, D-68307 Mannheim,

Tel. +49 (0) 621 776 16 01,

E-Mail: ahennecke@de.pepperl-fuchs.com

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HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2014

Einsatz robotergeführter

Patientenliegen

Exakte Dosisapplikation in der Strahlentherapie möglich

Variiert die Gewebelage schnellteilender Tumorzellen während der Radiotherapie

als Konsequenz nicht abstellbarer physiologischer Vorgänge, wie durch Atmung, so

lässt sich eine optimale Dosisverteilung nicht gewährleisten. Bestenfalls kann eine

Anpassung des Fokusbereichs an die statistische Positionsverteilung des Tumorgewebes

vorgenommen werden, wobei jedoch auch gesundes Gewebe hohen Strahlendosen

ausgesetzt wird. In einem Voruntersuchungsprojekt wurden bereits die Grundlagen

für die Technologie einer robotergeführten Patientenliege für den Einsatz in

der Radiotherapie entwickelt. Mit deren Hilfe ergab sich eine signifikante Reduktion

der Strahlenbelastung gesunder Gewebebestandteile aufgrund von Bewegungen

physiologischen Ursprungs.

SCHLAGWÖRTER Robotergeführte Patientenliege / Strahlentherapie / Bewegungskompensation

Application of a Robot-driven Examination Table –

Exact dose Distribution in Radiotherapy

Due to the variation of the position of the tissue of fast dividing tumour cells during

radiotherapy as a consequence of physiological processes, e.g. respiration, optimum

dose distribution cannot be guaranteed. Currently it is at best possible to adjust the

area of focus to the statistical position distribution of the target tumour cells. However,

this means that healthy body tissue around the tumour will also be exposed

to high radiation doses. In a pre-examination project, the principles for the technology

of a robot driven examination table have been developed. This makes it possible

to significantly reduce the radiation exposure of healthy tissue in the case of

physiological movements.

KEYWORDS robot driven operating table / radiotherapy / motion compensation

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atp edition

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ANDRÉ DUFFE, HENRY ARENBECK, DIRK ABEL, RWTH Aachen University

Radiotherapie ist eine etablierte Technik zur

selektiven Zerstörung schnellteilender Tumorzellen,

deren Anwendung stets eine Schädigung

gesunder Zellen nach sich zieht. Ist

die Lage des zu bestrahlenden Tumors unveränderlich

und bekannt, so kann mit Hilfe mathematischer

radiologischer Modelle ein Therapieplan ausgearbeitet

werden, der eine exakte Dosisapplikation und

somit eine minimale radiologische Belastung gesunder

Zellen gewährleistet. Variiert die Gewebelage während

der Bestrahlung als Konsequenz nicht abstellbarer physiologischer

Vorgänge, wie Atmung, Herzschlag oder

Verdauung, so lässt sich bis heute eine optimale Dosisverteilung

nicht gewährleisten. In der medizinischen

Praxis wird bestenfalls eine Anpassung des Fokusbereichs

der Bestrahlung an die statistische Positionsverteilung

des zu zerstörenden Tumorgewebes vorgenommen.

Dies bedeutet eine Ausdehnung des Fokusbereiches

so weit, dass das Tumorgewebe zu jedem Zeitpunkt

in diesem Bereich enthalten ist. Diese Praxis hat

zur Folge, dass gesundes, den Tumor umlagerndes

Gewebe hohen Strahlendosen ausgesetzt wird, was die

Nebenwirkungen der Radiotherapie verschärft und in

einigen Fällen eine Anwendung dieser Therapieform

unmöglich macht.

In einem Voruntersuchungsprojekt „Roboterbasierte

Systeme zur Simulation und Kompensation physiologischer

Bewegungen für den Einsatz in der Radiotherapie“

wurden von Forschern der RWTH Aachen,

dem Universitätsklinikum Aachen und Mitarbeitern

der Kuka Laboratories GmbH Grundlagen für eine

Technologie einer Patientenliege für den Einsatz in

der Radiotherapie entwickelt. Mit deren Hilfe kann im

Fall von Bewegungen physiologischen Ursprungs der

Zielgewebestrukturen eine signifikante Reduktion der

Strahlenbelastung gesunder Gewebebestandteile erreicht

werden. Die Grundlagen bestehen aus vier Komponenten.

Die erste Komponente stellt eine robotergeführte

Patientenliege dar, die den Patienten während

der Therapie vor dem Beschleuniger positioniert.

Zweitens agiert das iMSS als Messsystem, das während

der Bestrahlung die Atemlage des Patienten misst

und die kartesische Tumorposition als Messwert in

Echtzeit zur Verfügung stellt. Die dritte Komponente

ist ein Motion Compensation Modul (MCM). Dabei

handelt es sich um ein regelungstechnisches Algorithmen-Framework,

das aus den Messdaten des iMSS die

zukünftige Atemlage prädizieren kann und modellprädiktive

Regler beinhaltet, die genutzt werden können,

um durch eine geeignete Aktorik die Patientenatmung

zu kompensieren. Die vierte Komponente stellt

das 4-D-Phantom dar, welches eine Parallelkinematik

zur Messung der Bestrahlungsintensität von bewegten

Bestrahlungszielen ermöglicht und mehrdimensionale

Bewegungen präzise abbildet. Diese Komponente

macht den Prozess der 4-D-Radiotherapie von der Validierung

eines 4-D-CT-Datensatzes bis zur Verifikation

der resultierenden Dosisapplikation an einem Lungentumormodell

experimentell darstellbar und überprüfbar.

Die vier Komponenten ergeben kombiniert eine Patientenliege,

die gestützt durch mathematische Modelle

der humanen Physiologie aktiv Gewebebewegungen

therapiebegleitend kompensieren kann. Durch Integration

einer solchen Patientenliege in ein Radiotherapiesystem

und die damit ermöglichte exakte Dosisapplikation

in bewegten Zielstrukturen lassen sich die Therapieverträglichkeit

(Reduktion der Schädigung gesunden

Gewebes) und die Therapieeffizienz signifikant

steigern, da sich das Potenzial verkürzter Genesungsphasen,

reduzierter Behandlungszeiten und verbesserter

Behandlungsresultate ergibt.

1. KOMPENSATION VON TUMORBEWEGUNGEN

Respirationsbedingte Tumorbewegungen, ausgelöst

durch Atembewegungen des Patienten, erweitern das

Planning Target Volume (PTV) und verursachen eine

geringere Effektivität der Bestrahlung. 4-D-Bestrahlungsmethoden

haben eine höhere Effektivität der Behandlung

zum Ziel, die durch die Anpassung der

Strahlungsübertragung an die Tumorbewegung während

der Therapie erreicht werden soll.

atp edition

7-8 / 2014

29


Dies kann durch eine Manipulation der Position des

Linearbeschleunigers [1] oder der Position des Patienten

mit Hilfe eines Roboters realisiert werden. In

jedem Fall muss die verwendete Aktorik schwere

Massen mit hohen Beschleunigungen verfahren und

dabei eine hohe Präzision gewährleisten, um respirationsbedingte

Tumorbewegungen zu kompensieren.

Die Regelung für eine solche Kompensation benötigt

einen nicht kausalen Regler, der die vorausgesagten

Tumorpositionen miteinbezieht, um eine Phasenverschiebung

und Verzögerung der Roboterbewegung,

der Datenverarbeitung und des Datentransfers gewährleisten

zu können.

Die Prädiktion der Tumorposition kann mit Hilfe

von verschiedenen Techniken, beispielsweise mittels

eines adaptiven Filters [2,3], eines Regressionsmodels

[4,5] sowie eines Fuzzy-Systems [6] ermöglicht werden.

Allen Methoden ist gemein, dass sich die Resultate

der Prädiktion mit jeder neuen Messung der Tumorposition

verändern. Diese Variation innerhalb der

Prädiktion muss vom Regler toleriert werden. Im

Voruntersuchungsprojekt wurden zwei Regelungsarten

mit dem Industrieroboter getestet: Es wurde (1)

eine Vorsteuerung (FFS) und (2) eine modelprädiktive

Regelung (MPC) genutzt. Zur Validierung wurden die

Spezifikationen der Anwendung in der Radiotherapie

durch repräsentative Tests, das Modellieren einer

vorhergesagten Prädiktionsvariation und die Messung

des Fehlers bei der Regelung betrachtet. Dieser

Fehler beschreibt die räumliche Abweichung zwischen

der Referenz- und der tatsächlichen lokalisierten

Tumorposition als Worst-Case-Fehler bei der Dosisverteilung.

2. METHODEN

Referenzsignals des Reglers modelliert. Für jeden

Zeitschritt wurde durch einen zufälligen Arbeitsprozess

ein Abweichungssignal erstellt, das dann mittels

eines exponentiell steigenden, bei null startenden

Faktors gemessen wurde und anschließend durch einen

Tiefpass-Filter lief. Zu jedem Zeitschritt wurde

das assoziierte (zeitvariierende) Abweichungssignal

zu der zukünftigen Trajektorie des ursprünglichen

Referenzsignals hinzugefügt, um das verfälschte Referenzsignal

des Reglers zu erstellen. Die Zusammenstellung

der Abweichungssignale zeigt Bild 1. Die

Intraprädiktionsvarianz, x, wurde als die maximale

Variation des Abweichungssignals bei Tref/8 relativ zu

Aref definiert, wobei Tref die allgemeine Dauer des

Atemzyklus und Aref die allgemeine Amplitude des

Referenzsignals darstellt. Die Interprädiktionsvarianz,

y, wurde als die maximale Distanz zwischen den

Outputs der zufälligen Wege von zwei erfolgreichen

Zeitschritten relativ zu der Breite des Bereichs der

zufälligen Wege definiert. Die Intraprädiktionsvarianz

variierte zwischen x ∈ [0, 7.5, …, 75] %. Die Interprädiktionsvarianz

wurde zwischen y ∈ [10, 80] %

variiert.

2.3 Modellieren des Roboters und der Regelung

FFC und MPS wurden in Simulink/Matlab implementiert

und auf ein xPC-Target übertragen. Das Übertragungsverhalten

zwischen den Soll- und Ist-Achsstellungen

der Roboterachsen wurde mittels ARX-Modellen

erfasst. Die Vorsteuerung wurde zuerst ohne zusätzlichen

Regler implementiert und zeigte bereits

eine sehr gute Nachführung von Referenztrajektorien.

Allerdings wies die Vorsteuerung eine leichte Regelabweichung

auf, weshalb ein Regelkreis mit integra-

2.1 Aufnahme von Testdaten

Die Testdaten wurden mit einem Vicon MX Motion

Capture-System mittels einer Anordnung von 10 Kameras

aufgenommen. Dabei wurde die Position von

24 körperfremden Strukturen in Form von Markern

ermittelt, die auf der Brust und dem Bauchraum einer

gesunden, männlichen Person in horizontaler Position

verteilt waren. Eine repräsentative Marker-Trajektorie

von zweiminütiger Dauer wurde ausgewählt, die

die tatsächlichen, spontanen Atembewegungen widerspiegelt.

Durch die Projektion der kartesischen

Trajektorie in seine Hauptbewegungsrichtung wurde

ein eindimensionales Referenzsignal für die Regelung

erzielt.

2.2 Modellieren der Prädiktionsvarianz

Die Prädiktionsvarianz wurde durch ein unstrukturiertes

Verfälschen der zukünftigen Trajektorie des

BILD 1: Histogramm der Abweichungssignale (farbig)

und eines exemplarischen Abweichungssignals

(schwarz) für eine feste Intraprädiktionsvarianz x

30

atp edition

7-8 / 2014

tivem Anteil benötigt wurde. Hier wurde ein PI-Regler

ausgewählt, da er aufgrund des proportionalen Anteils

eine schnellere Regelung ermöglicht. Für die modellprädiktive

Regelung wurde das identifizierte ARX-

Modell verwendet. Die Abtastzeit beträgt aufgrund des

Robotertaktes 12 ms.

3. VERSUCHE UND ERGEBNISSE

3.1 Quantifizierung des Positionsfehlers

Das Ergebnis der Messung der Trajektorientreue mit

einem Trackingsystem kann als relativer Worst-Case-

Fehler der Dosisverteilung zu der PTV als ein Resultat

der Tumorbewegung bezogen auf die optimale

Dosisverteilung eines stationären Tumors interpretiert

werden. Der Fehler wird im Folgenden als medizinischer

Fehler bezeichnet. Diese Annahme basiert

auf der Annahme eines kugelförmigen Tumors

mit einem Radius von 10 mm und 2 s Bestrahlungsdauer.

In Bild 2 ist das Ergebnis der Messung der Trajektorientreue

dargestellt. Es werden die drei Fälle (1) keine

Regelung, (2) FFC und (3) MPC verglichen. Ohne

Regelung wird ein medizinischer Fehler von 13,47 %

erreicht. Mit Reglern liegt dieser Fehler immer unter

2,5 % – die Abhängigkeit von der Intraprädiktionsvarianz

und Interprädiktionsvarianz ist in Bild 3 dargestellt.

Bild 3 zeigt, dass FFC bezogen auf die Interprädiktionsvarianz

weniger Robustheit als MPC ausweist.

Nichtsdestotrotz erzielen beide Regler zufriedenstellende

Resultate im Zusammenhang mit der 4-D-Radiotherapie.

Ein Nachteil von beiden Techniken ist ihre

starke Abhängigkeit von einem ausreichend akkuraten

Modell des geregelten Systems. Wie dargestellt, kann

ein solches Modell durch Systemidentifikationstechniken

erhalten werden, während es jedoch vom Roboter

und seinem Arbeitspunkt abhängt. Dementsprechend

kann die erneute Konfiguration des internen

Modells des Reglers von Roboter zu Roboter, von Patient

zu Patient und sogar von Behandlung zu Behandlung

nötig sein, um zufriedenstellende Resultate zur

Regelung der Lokalisierung zu erhalten.

Im nächsten Schritt wird bei diesem Projekt die

Robustheit von FFC und MPC in Bezug auf Modellunsicherheiten

und die resultierende Komplexität der

praktischen Anwendung dieser Regler beurteilt.

Ebenso werden alternative Regelungsmethoden angewandt

und getestet, die zukünftig weniger Modellgenauigkeit

voraussetzen. Mögliche Methoden sind

dafür die repetitive Regelung und die Iterative Learning-Regelung.

FAZIT

Basierend auf den beschriebenen Untersuchungen

lässt sich zusammenfassen, dass die Vorsteuerung mit

PI-Regler und die MPR für das Nachführen von Atemtrajektorien

im Vergleich zum Fall, dass kein Regler

verwendet wird, den medizinischen Fehler verringern.

Diese Regler eignen sich somit für das Nachführen

von Atemtrajektorien. Für größere Amplituden

erwiesen sich die Regler als stabil hinsichtlich des

medizinischen Fehlers. Dieser stieg mit der Amplitude

nur moderat an. Der Vergleich des medizinischen

Fehlers mit Atemtrajektorien mit besonderer Charakteristik

ergab keine abweichende Bewertung der Regelungsverfahren

und bestätigte damit die bisherigen

Ergebnisse. Ein genauer Vergleich der geeigneten Regler

ergibt, dass die MPR den kleinsten medizinischen

BILD 3: Darstellung des medizinischen Fehlers

in Abhängigkeit von der Intraprädiktionsvarianz

und Interprädiktionsvarianz

BILD 2: Ergebnis. rot: Referenz,

türkis: keine Regelung, grün: FFC, blau: MPC

atp edition

7-8 / 2014

31


AUTOREN

Dipl. Wirt.-Ing. ANDRÉ DUFFE (geb. 1983)

studierte Wirtschaftsingenieurwesen an

der RWTH Aachen und an der Universiti

Sans Malaysia, Penang/Malaysia. Anschließend

war er wissenschaftlicher

Mitarbeiter am Werkzeugmaschinenlabor

der RWTH Aachen, wo er als Teamleiter

die Arbeitsgruppe Bildgebende Verfahren

und modelbasierte Messtechnik leitete.

Seit 2013 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für

Regelungstechnik der RWTH Aachen. Dort ist André Duffe

der Referent des Profilbereich Mobility & Transport Engineering

der RWTH Aachen und Leiter des Projektes „Robotergeführte

Patientenliege für den Einsatz in der Strahlentherapie“.

Institut für Regelungstechnik RWTH Aachen,

D-52056 Aachen, Tel. +49 (0) 241 802 80 12,

E-Mail: A.Duffe@irt.rwth-aachen.de

Fehler aufweist, gefolgt von der Vorsteuerung mit PI-

Regler. Die Totzeitvorsteuerung weist von den drei

Regelungsverfahren den größten Fehler auf. Allerdings

bewegen sich diese Unterschiede in allen Testfällen

in einem Bereich des medizinischen Fehlers von

unter 1 %. Die drei Regelungsverfahren können hinsichtlich

des medizinischen Fehlers als nahezu gleichwertig

betrachtet werden.

Weitere Untersuchungen sind bereits geplant. In

einem ersten Schritt werden verschiedene reale Prädiktoren

implementiert und die Regelungsverfahren mit

diesen getestet. Nach der Auswahl eines Prädiktors wer-

den die Regelungsverfahren mit einem größeren Roboter

an einem realen Patienten appliziert werden, um zu

überprüfen, ob sich hieraus neue Erkenntnisse für die

Wahl des Reglers ergeben.

MANUSKRIPTEINGANG

23.06.2014

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet

Univ.-Prof. Dr.-Ing. DIRK ABEL (geb. 1958)

ist seit 2001 leitender Professor des

Lehrstuhls und Instituts für Regelungstechnik

sowie Sprecher des Profilbereichs

„Mobility and Transport Engineering“.

Außerdem ist er stellvertretender Vorsitzender

der VDI/VDE-Gesellschaft für


(GMA). Prof. Abel studierte Maschinenbau

am Institut für Regelungstechnik an der RWTH, wo er auch

promovierte. Anschließend arbeitete er als Oberingenieur am

Institut für Regelungstechnik und habilitierte über rechnergestützte

Automatisierungstechnik.


D-52056 Aachen, Tel. +49 (0) 241 802 75 01,

E-Mail: D.Abel@irt.rwth-aachen.de

Dipl. Ing. HENRY ARENBECK (geb. 1979)

studierte Maschinenbau an der Universität

Duisburg-Essen und der Universität

von Arizona. Im Zuge seiner Tätigkeit als

wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut

für Regelungstechnik der RWTH Aachen

leitete er über zwei Jahre die Arbeitsgruppe

„Medizintechnik“. Seine Arbeitsgebiete

umfassen die Robotik sowie

modellbasierte regelungstechnische Verfahren im Kontext

der Strahlen therapie, Rehabilitation und Intensivmedizin.


D-52056 Aachen, Tel. +49 (0) 241 802 80 13,

E-Mail: H.Arenbeck@irt.rwth-aachen.de

REFERENZEN

[1] Adler Jr., J.R., Chang, S.D, Murphy, M.J., Doty, J.,

Geis, P., Hancock, S.L..: The Cyberknife:

A Frameless Robotic System for Radiosurgery.

Stereotactic and Functional Neu-rosurgery 69,

S. 124-128, 1998

[2] Riaz, N., Shanker, P., Wiersma, R., Gudmundsson, O.,

Mao, W., Widrow, B., Xing, L.: Predicting respiratory

tumor motion with multi-dimensional adaptive filters

and supprt vector regression. Physics in medicine

and Biology 54 (Nr. 19), S. 5735-5748, 2009

[3] Ramrath, L., Schlaefer, A., Ernst, F., Dietrich, S.,

Schweikard, A.: Prediction of respiratory motion

with a multi-frequency based Extended Kalman

Filter. International Journal of CARS Suppl. 1 (Nr. 2),

S. 56-58, 2007

[4] Ruan, D., Fessler, J.A., Balter, J.M.: Real-time

prediction of respiratory motion based on local

regression methods. Physics in medicine and

biology 52 (Nr. 23), S. 7137, 2007

[5] Ernst, F., Schweikard, A.: Forecasting respiratory

motion with accurate online support vector

regression (SVRpred). International Journal of

CARS 4 (Nr. 5), S. 439-447, 2009

[6] Otto, P.: Fuzzy-basierte Zeitreihenvorhersage

(Fuzzy-based Time Series Forcasting). At-Automatisierungstechnik

48 (Nr. 7), S. 327, 2000

32

atp edition

7-8 / 2014

atp Kompaktwissen

Band 1 –

Erfolgreiches Engineering

Hrsg. Frank Schiller, 1. Auflage 2010, 138 Seiten, Broschur

Buch + CD-ROM für € 79,–

ISBN 978-3-8356-3210-3

Band 3 –

Praktische Messtechnik



ISBN 978-3-8356-3213-4

Band 5 –

Industrielle Informationssicherheit

Hrsg. Leon Urbas, 1. Auflage 2014, 80 Seiten, Broschur

Buch für € 59,–

ISBN 978-3-8356-7113-3

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Band 2 –

Effiziente Kommunikation



ISBN 978-3-8356-3212-7

Band 4 –

Automation in der Wasserbranche



ISBN 978-3-8356-3226-4

Band 6 –

Safety in der Praxis

Hrsg. Leon Urbas, 1. Auflage 2014, 112 Seiten, Broschur

Buch für € 59,–

ISBN 978-3-8356-7115-7

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Band 1 – ISBN: 978-3-8356-3210-3 für € 79,– (zzgl. Versand)






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Zur Wahrung der Widerrufsfrist genügt die rechtzeitige Absendung des Widerrufs oder der Sache an die Vulkan-Verlag GmbH,

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Nutzung personenbezogener Daten: Für die Auftragsabwicklung und zur Pflege der laufenden Kommunikation werden personenbezogene Daten erfasst und gespeichert. Mit dieser Anforderung erkläre ich mich damit einverstanden,

dass ich vom DIV Deutscher Industrieverlag oder vom Vulkan-Verlag per Post, per Telefon, per Telefax, per E-Mail, nicht über interessante, fachspezifische Medien und Informationsangebote informiert und beworben werde.

Diese Erklärung kann ich mit Wirkung für die Zukunft jederzeit widerrufen.

PAATPK2014


Cloud-enabled Automation

Systems using OPC UA

Extension and Evaluation of Communication in OPC UA

Emerging applications like smart grids and the Internet of Things pose new challenges

to industrial systems. A drawback of OPC UA in the context of cloud-based applications

are its client-server based communication concept and challenges due to

firewalls, proxies, dynamic IP addresses, NATs and client-lookup strategies. Our aim

is to interleave OPC UA with web and cloud technologies. We extended the communication

concept of OPC UA and provide an evaluation of various protocols that serve

as an additional transport layer underneath OPC UA.

KEYWORDS OPC UA / Automation / Cloud / Web technologies / XMPP / WebSockets

Automationssysteme in der Cloud auf der Basis von OPC UA –

Erweiterung und Analyse der Kommunikation in OPC UA

Neuartige Anwendungen wie Smart Grids und Internet-of-Things stellen industrielle

Steuerungssysteme vor neue Herausforderungen wie das Zusammenspiel aus

dem Client-Server basierten Konzept von OPC UA und Firewalls, NATs, dynamischen

IP-Adressen, Client-Lookup Strategien und Proxies. In dieser Arbeit wurde das

Kommunikationskonzept von OPC UA erweitert und mit Webtechnologien wie XMPP

und WebSockets verknüpft, um eine Anbindung von OPC UA basierten Systemen

an die Cloud zu ermöglichen. Die Anwendbarkeit und Leistungsfähigkeit wurde

anhand einer prototypischen Implementierung betrachtet.

SCHLAGWÖRTER OPC UA / Automation / Cloud / Webtechnologien / XMPP /

WebSockets

34

atp edition

7-8 / 2014

JOHANNES SCHMITT, THOMAS GOLDSCHMIDT, PHILIPP VORST, ABB Forschungszentrum

The targeted scenario focuses on automation

systems where an application (or service) in

the cloud has to communicate and interact

with field devices on a site (for example a building

or plant). With “the cloud” we denote a

data centre with infrastructure for cloud computing [6],

connected to the Internet or a private network. One or

more of the following exemplary applications can be

assumed:

Remote control: As long as requirements like delay

constraints and reliability are met, a remote logic in

the cloud can be used to control elements on site.

The advantages of a cloud-based approach are the

global view of aggregating the information of multiple

sites and virtually unlimited CPU power based

on scalable infrastructure. Another benefit is the

easy integration of mobile devices like smartphones.

Cloud historian: A data historian in the cloud is of

special interest when a virtually infinite amount

of data should be stored and/or data should be stored

securely in a remote location because of (legal)

data backup requirements.

Service platform: The cloud type “Platform as a

Service” (PaaS) provides a modular software concept

and common interfaces as a basis for additional

services, to obtain an extensible system architecture.

The advantage of a cloud is the flexibility

to provide virtually unlimited resources for the

services which process the data obtained from the

devices.

OPC UA defines a meta-data model and interfaces to the

data model. Using an OPC UA based communication

between the cloud and a site provides full access to the

information of the OPC UA server(s) at the site. Without

any media breach like mapping or protocol conversion,

a cloud application can make use of the functionality

of the OPC UA server on the site. As OPC UA is powerful

in terms of extensibility of its data model and semantic

self-description of the information, this approach

is flexible and future proof.

A cloud application needs an OPC UA client in order

to access the data provided by an OPC UA server deployed

locally at a site or building. As a major extension to

its predecessor OPC, OPC UA provides binary or XMLencoded

messages over TCP or HTTP(S) [1]. This makes

OPC UA routable, platform-independent and much more

flexible – especially for Internet-based or cloud-based

applications [2]. Since OPC UA uses a client-server based

communication concept, the client starts the connection

to the server (“A” in Figure 1). Following this communication

principle, OPC UA has to cope with firewalls, dynamic

IP-addresses, NATs and client-lookup strategies.

The common approach of the protocols XMPP and

WebSockets is to establish the connection from the

local-side and re-use this existing connection from the

cloud-side in order to access services [4] behind firewalls

(as depicted in Figure 1 with “B”). While XMPP

follows an asynchronous message-queue based principle

using an intermediate message broker, WebSockets

are employed for synchronous direct calls.

1. CONCEPT / PROTOTYPE DESIGN

We have extended the client-server principle of the OPC

UA stack by mechanisms which allow for bidirectional

communication. This extension enables a cloud to local-side

communication over a previously established

local to cloud-side connection (as depicted in Figure 1

with “B”).

As another extension we developed a prototype for

an “OPC UA proxy server” which provides transparent

access (for example for other cloud applications) to multiple

client-side OPC UA servers through the cloud-side

OPC UA client (comparable to the concept of an aggregating

server [3], but without replication). This proxy

server concept aims to provide a central point for communication

in the cloud for both the OPC UA servers

connecting to the cloud and the cloud applications

requiring access to the information on the OPC UA servers.

The prototyped OPC UA proxy server shown in

Figure 2 provides multiple mechanisms to manage the

atp edition

7-8 / 2014

35


access to remote OPC UA servers as they are commonly

available for other cloud services. These mechanisms

comprise connection management, remote node management,

subscription and alarm/event management

as well as access management. However for this work

we will further focus on the aspects of communication

towards the local infrastructure.

1.1 Integration of WebSockets

For our implementation of the WebSocket protocol we

have used the Jetty-WebSocket (Version 8) libraries – as

they provide both an API for a WebSocket server as well

as for a WebSocket client (which is not always included,

as the client part is typically JavaScript based).

Our WebSocket implementation is designed to allow

bidirectional communication. Therefore, a common

element in our implementation manages and holds all

established WebSocket connections for later use.

A flag in the WebSocket settings decides how to

handle the WebSocket connection:

Server-Flag: Opens a WebSocket server at the given

URL

Client-Flag: If no connection to the given URL

exists, the WebSocket tries periodically to connect

to the WebSocket server at the given URL.

This approach makes it possible to decide whether the

OPC UA client should be the WebSocket server and the

OPC UA server the WebSocket client or vice versa.

In addition, an OPC UA client can re-use an existing

connection. Using this concept it is possible to use the

same connection for an OPC UA server and for an OPC

UA client on the same machine. This is usefulin cloud

technologies, where a cloud-application can be bound

to only one port or on a smartphone providing its sensors

as nodes within a built-in OPC UA server and at

the same time using the connection to the OPC UA

client for a connection to the proxy server.

1.2 Integration of XMPP

For the integration of the XMPP protocol, one of the

most popular implementations of XMPP was used:

Smack from Ignite Realtime (http://www.igniterealtime.org).

The XMPP server which was used later as

broker to setup the connection between multiple clients

– called Openfire - is also from Ignite Realtime.

Some embedded and lightweight implementations of

XMPP exist – which makes it especially interesting for

applications in the area of Internet of Things (IoT) [5]

and for OPC UA as the consortium announced on the

roadmap for 2015.

Both the OPC UA server and the OPC UA client act

as XMPP client – they initially create an XMPP connection

to the XMPP server. The transport protocol in

Smack is based on a modular concept. Here two modules

were integrated and used:

org.jivesoftware.smack.XMPPConnection: this is

the default long-lived XMPP specific TCP protocol.

This connection type has the ability to enable

the SecurityMode (using SSL “XMPP-SSL” or

another, XMPP-specific security mechanism

“XMPP-SEC”).

org.jivesoftware.smack.BOSHConnection: this module

provides a bidirectional data transport based

on (long living) HTTP requests. While using the

“XMPP-BOSH” based transport, an HTTP proxy

can be configured and enables bidirectional communication

through an enterprise HTTP proxy.

2. PERFORMANCE EVALUATION

As a proof-of-concept and for a performance analysis,

we integrated and tested our system on local machines,

private clouds, embedded devices, mobile devices and

public clouds. The analysis comprises a comparison of

traditional OPC UA over TCP and HTTPS with the new

approaches of OPC UA over XMPP and WebSockets. In

addition, we also analysed the impact of parallel requests,

different security configurations and also the

usage of XMPP over BOSH which allows traversing

HTTP proxies.

All the following results show the delay for a requestresponse

scenario reading a node value at the OPC UA

server– this means it represents the sum of the delays

for message encoding, message processing and transport

on the client and the server. Unless mentioned otherwise,

the results show the average delays per requestresponse

observed over 10 000 test-runs with one thread.

2.1 Protocol overhead comparison

Both new approaches, XMPP and WebSockets wrap the

OPC UA encoded data as payload in their protocol. However

they use and provide various mechanisms for

communication and transport management.

Figure 3 shows as comparison of the different transport

means on a local machine, focusing on the plain

protocol overhead. OPC.TCP (SEC) with a delay of about

0.45 ms can be seen as a reference value which will

typically be applied in OPC UA based systems. The OPC.

TCP (SEC) uses its own mechanisms for signing and

encrypting the data (similar to but not based on SSL).

HTTPS denotes the other OPC UA transport protocol

included in the official OPC UA stack. It uses regular

HTTP over SSL. Like typical HTTP based approaches,

this protocol also uses a new connection per request

and base64 for encoding, which makes it slower than

OPC.TCP. Pure HTTP was not tested, because OPC UA

36

atp edition

7-8 / 2014

FIGURE 1: Old (A)

and new (B)

communication

concept in OPC UA

FIGURE 3: Delay for an OPC UA request-response

FIGURE 2: OPC UA proxy server

FIGURE 4: Average delay on Raspberry and Android

uses pure HTTP only in combination with the XML

encoding, which is currently not supported by the

OPC UA Java stack.

Typically XMPP uses also a binary TCP transport mechanism

– but with the necessity to use a base64 encoding

in order to wrap the binary data into an XML container.

This and the additional hop over the XMPP server (on the

same PC) make XMPP slower than OPC.TCP. In comparison

to HTTPS this approach is faster – which may be

because it re-uses previously established connections.

XMPP can be used in two secure modes: XMPP-SSL uses

a (deprecated) approach by applying a SSL connection to

the XMPP server, while XMPP-SEC uses an XMPP internal

mechanism to provide a secured transport (with endto-end

encrypted body). Both approaches have a similar

delay in this scenario. XMPP-BOSH uses a BOSH based

transport. BOSH itself uses an HTTP-long polling approach.

The communication over base64+XMPP+BOSH

has the highest latency – but also the ability to work over

HTTP proxies, NATs and firewalls.

The approach using WebSockets (WS) transports the

data like native OPC.TCP – but with the bidirectional

communication strategy. This results in a similar delay

during the communication: The unsecure approaches

need 0.25 ms WS compared to 0.21 ms OPC.

TCP; the secure approach WS (SSL) is also comparable

to OPC.TCP (SEC) with enabled signing and encryption

mechanisms.

2.2 Platform comparison

In this scenario an Android device (Samsung Galaxy

Tab S2) or a Raspberry Pi was used as an example for a

field device gateway on an embedded device. While the

Raspberry was connected using a 1Gbit LAN, the Android

device was connected over a Wi-Fi access point

in the same LAN. In the case of XMPP the XMPP server

was installed on the PC. The results in Figure 4 give an

approximation of the expected delay:

Usually the embedded device was used as the local

instance (which receives requests from the PC in the

role of a remote/cloud instance). In some cases also the

“backward-direction” was tested (marked with “BW”)

atp edition

7-8 / 2014

37


FIGURE 5: OPC UA

communication with

the cloud

FIGURE 7:

Response time

for a prototype

of a Soft-PLC in

a private cloud

FIGURE 6:

Soft-PLC in the

cloud controlling

a simulated

device on the site

– this means in these cases the embedded device sends

requests to the PC.

OPC.TCP (SEC) on Raspberry was used in Basic128Rsa15

mode – instead of the default Basic256

mode, which did not work. The test labelled with

“OPC.TCP Raspberry (local)” shows the performance

if the requests are sent only within the Raspberry

(local-only requests with no network communication

involved / similar to the local PC scenario). HTTPS

on Raspberry did not seem to work properly as it showed

latencies of up to 4.7 seconds. In the reverse direction

it worked, but also with relatively high latencies

around 33 ms. On Android, HTTPS was excluded

due to problems with overlapping namespaces with

the Android SDK.

The tests on Android showed similar behaviour –

with a somewhat higher latency, which might be caused

by the Wi-Fi connectivity.

AUTHORS

Dr. JOHANNES SCHMITT

(born 1979) is Scientist in

the group Intelligent

Devices at ABB Corporate

Research. His research

focusses communication

and especially middleware

technologies for automation

systems. He also investigates

the use of OPC UA on embedded or

mobile devices up to cloud based systems.

ABB AG Forschungszentrum,

Wallstadter Str. 59, D-68526 Ladenburg,

Tel. +49 (0) 6203 71 60 08,

E-Mail: Johannes.O.Schmitt@de.abb.com

Dr. THOMAS GOLD-

SCHMIDT (born 1982) is a

Principal Scientist at the

ABB Corporate Research in

Germany. He focuses on

domain-specific language

engineering and software

architectures in the

automation domain.

Thomas holds a PhD in computer science from

the Karlsruhe Institute of Technology, Germany.



Tel. +49 (0) 6203 71 61 34,

E-Mail: thomas.goldschmidt@de.abb.com

38

atp edition

7-8 / 2014

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2.3 Influence of Network Connection

In this scenario, the new extensions are used in order

to communicate with an OPC UA instance in the cloud.

The results in Figure 5 were obtained for 100 test runs.

The first test called “WebSocket LocalCloud” was

conducted using a virtual machine running the

cloud framework on the local PC. It shows the impact

of the cloud framework itself – the delay in this case

is about 1.74 ms.

The second test was done using a traditional client-server

connection by applying a OPC.TCP (SEC)

connecting to the cloud – in this case the local instance

sends requests to the OPC UA server in the

cloud “backwards” (BW).

Within the ABB LAN it is only possible to communicate

through an HTTP proxy towards a real

cloud on the Internet. This restricts the communication

on XMPP based on BOSH and a Telecom Wi-

Fi Hotspot Hotspot (marked with “Wlan”).

For this reason the third test which applies the

WebSocket technique is also only possible over

Wi-Fi. The delay is similar to the basic OPC.TCP

(SEC) approach – but in this case it was communicated

from the cloud towards the local instance.

The fourth test uses XMPP (without BOSH) which

was also only possible over Wi-Fi. Both XMPP tests

used the XMPP server in the cloud and the OPC UA

instances locally on the PC – this means one requestresponse

travels to the cloud and back again ( marked

with “2 way”). The delay can be assumed to be halved

if the requesting entity wwere placed in the cloud.

The last test shows the only approach which worked

within the ABB network together with its HTTP

proxy and which enables a cloud-to-local instance

Dr. PHILIPP VORST

(born 1979) is a Senior

Scientist with ABB

Corporate Research in

Germany. His research

interests include software

architecture methods with

applications in automation.

Philipp holds a PhD degree

in computer science (mobile robotics) from the

University of Tübingen, Germany.



Tel. +49 (0) 6203 71 62 80,

E-Mail: philipp.vorst@de.abb.com

atp edition erscheint in der DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München

Die Referenzklasse für die

Automatisierungstechnik

atp edition ist das Fachmagazin für die Automatisierungstechnik.

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communication backwards over the local instance–tocloud

connection. With this approach it is possible to

connect an OPC UA proxy server in a cloud with an OPC

UA server in the ABB LAN.

2.4 Soft-PLC in a Private Cloud

As a proof-of-concept and to round up the scenario of an

“automation system in the cloud”, a Soft-PLC service was

instantiated in the cloud controlling a (simulated) device

on the site. In this setup, the communication between the

Soft-PLC and the proxy server was using a Message Queue

[7] (as shown in Figure 6 with “MQ”) in order to use an

asynchronous and loosely coupled communication to scale

up the instances of running Soft-PLCs in the cloud if

needed. The Soft-PLC subscribes using OPC UA over the

proxy server at the simulated device in order to get notification

about status changes of the device via MQ. As a reaction,

the Soft-PLC sends back a control command via MQ

and OPC UA over WebSockets to the simulated device. This

setup uses a private cloud approach with a cloud instance

hosted on an ABB server in Sweden and connected via VPN

over the Internet to the ABB research labs in Germany.

The delay between a status change of the device and

a reaction in the form of a control command was

measured. Figure 7 shows the results for 10 000 test runs

as a histogram. In most cases the response time was

around 75-80 ms with a few outliers around 300-400 ms.

2.5 Evaluation results

The goal of the presented performance evaluation and

some additional tests in combination with embedded

systems and clouds was to give a proof of concept and to

establish an order of magnitude for the average delay.

This makes it possible to explore the limits of current

technical solutions for industrial applications and serves

practitioners as a reference so that other applications can

be compared to our performance measurement results.

The additional overhead for WebSockets/XMPP compared

to OPC.TCP is in most cases up to 5ms; the average

delay for one request on an embedded device in the local

network is between 5 and 15 ms. But the basic delay for

the communication over the Internet to a cloud instance

has to be taken into account in any case – for example

the same request towards a system in the (Amazon) cloud

takes about 200 ms. The delay might depend on various

factors like the cloud provider, the physical distance, the

DSL provider, the load of the cloud instance, and the time

of day – usually this value is between 50 and 350 ms.

In all cases no message losses were observed, which

can be seen as an indicator for a robust communication.

Other tests taking also the number of parallel requests

into account showed that most approaches are also able

to handle multitude parallel requests (tested up to 100)

with almost linear increase in the delays – except for

XMPP-BOSH where packet losses at about 3 parallel

requests can be observed.

Additional results also show that by re-using established

connections the latency can be reduced – for example while

HTTPs takes around 2 ms per request, WebSockets over

SSL take only about 0.6 ms. Also, the delay of synchronous

calls over XMPP and the indirection through the message

broker can be relatively low, so that XMPP can be considered

as an alternative to WebSockets. XMPP also provides

additional features such as asynchronous calls and multicast

which could be interesting for future extensions.

CONCLUSIONS

The proof of concept shows that it is possible to engineer

automation systems for the cloud by using an OPC

UA based architecture in combination with extended

transport mechanisms. With this approach it is also

possible to instantiate “classic” OPC UA connections

from the proxy server in the cloud to OPC UA servers

on distributed sites – using a stack without WebSocket

support but at the expense of having to manually

address all connection issues like firewalls, NAT, etc.

Because the network connection to the cloud typically

introduces the largest portion of communication delay, a

fundamental question should be considered before

enabling an automation system for the cloud: Can the constraints

for communication delays be met by the network

link to the cloud infrastructure?

REFERENCES

[1] National Instruments: Why OPC UA Matters.

MANUSKRIPTEINGANG

26.06.2014


http://www.ni.com/white-paper/13843/en/

[2] OPC Training Institute: OPC UA: An End-User’s Perspective.

http://www.controlglobal.com/assets/Media/Marketing

Manager/ 081121_OPC_EndUsersPerspective.pdf

[3] Leitner, S., Mahnke, W.: OPC UA – Service Oriented

Architecture for Industrial Applications, 2006

[4] Lubbers, Greco: HTML5 Web Sockets: A Quantum Leap in

Scalability for the Web.

https://www.websocket.org/quantum.html

[5] Kirsche, M., Klauck, R.: Unify to Bridge Gaps: Bridging

XMPP into the Internet of Things, PerCoM 2012

[6] NIST Special Publication 500-292: NIST Cloud Computing

Reference Architecture, September 2011

[7] Mahesh-Kumar, M., Approach for Deploying, Executing and

Scaling an IEC6113-3-based Soft-PLC Component on a

Multi-tenant Industrial Cloud System for the Automation

Domain, Master Thesis TU-Dortmund, 2014

40

atp edition

7-8 / 2014

Process Control

Systems Engineering

Process Control Systems (PCS) are distributed control systems (DCS) that are specialized

to meet specific requirements of the process industries. The text book focuses on PCS

engineering basics that are common to different domains of the process industries.

It relates to an experimental research plant which serves for the exploration of the

interaction between process modularization and process automation methods. This

permits to capture features of highly specialized and integrated mono-product plants as

well as application areas which are dominated by locally standardized general-purpose

apparatus and multi-product schemes. While the text book’s theory is applicable for all

PCS of different suppliers, the examples refer to Siemens’ control system PCS 7. Focusing

on a single PCS enables readers to use the book in basic lectures on PCS engineering as

well as in computer lab courses, allowing students to gain hands-on experience.

Editor: Leon Urbas

1 st edition 2012

204 pages, content in English,

165 x 230 mm, hardcover

ISBN: 978-3-8356-3198-4

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PAPCSE2014


Auf dem Weg zum

Internet of Portals

Anwendungen für OPC UA Server Aggregation

Geräte und Komponenten in der industriellen Automatisierung werden zunehmend

intelligenter. Als Konsequenz migrieren Dienste wie Serverfunktionen, die heute

auf Steuerungs beziehungsweise Systemebene erbracht werden, in die Geräte der

unteren Ebenen. Um die daraus resultierende Komplexität in der Kommunikationsstruktur

zu verringern, schlagen die Autoren eine Aggregationsarchitektur vor. Der

Beitrag erläutert die einzelnen Bestandteile der Architektur und beschreibt eine

prototypische Umsetzung.

SCHLAGWÖRTER Verteilte Systeme / Industrielle Kommunikation / Aggregation

Internet of Portals –

Applications for OPC UA Server Aggregation

Devices and components in industrial automation systems are becoming more and

more intelligent. Consequently, functions such as server services are migrating into

the device level. To solve the increasingly complex communication structures, an

architecture for server aggregation is proposed and a prototype implementation is

described.

KEYWORDS distributed systems / industrial communication / aggregation

42

atp edition

7-8 / 2014

DANIEL GROSSMANN, MARKUS BREGULLA, SUPRATEEK BANERJEE, TH Ingolstadt

DIRK SCHULZ, ROLAND BRAUN, ABB Forschungszentrum

In heutigen Automatisierungssystemen spielt vertikale

Integration eine wichtige Rolle, da Komponenten

auf den verschiedenen Ebenen der Automatisierungspyramide

Information miteinander austauschen.

Geräteintegration beispielsweise macht Information

von Feldgeräten, wie etwa Diagnosedaten,

für übergeordnete Ebenen verfügbar.

1. STAND DER TECHNIK

Aktuelle Integrationstechnologien wie Field Device

Integration (FDI) definieren ClientServerArchitekturen

[1]. In der FDIArchitektur repräsentiert ein zentraler

Server die Daten und Funktionen der im Automatisierungssystem

enthaltenen Feldgeräte. FDI nutzt

OPC Unified Architecture (UA) zur Informationsmodellierung

und als MiddlewareTechnologie [2]. Der

FDIServer stellt zudem die Topologie aus Kommunikationsnetzen

und Feldgeräten dar. Er ist über industrielle

Kommunikationsprotokolle (zum Beispiel Profibus,

Profinet, HART, Foundation Fieldbus) mit den

Feldgeräten verbunden. Sobald der Server eine Anfrage

von einem Client erhält, kommuniziert er mit dem

Feldgerät und holt die notwendige Information ein.

Nach einer optionalen Verarbeitung dieser Daten bekommt

der Client die entsprechende Information als

Antwort. Andere Integrationstechnologien wie Field

Device Tool (FDT) oder Analyzer Device Integration

(ADI) folgen ähnlichen zentralen Ansätzen. All diese

Ansätze definieren eine zentrale Integrationsplattform,

siehe Bild 1.

1.1 Integrationsplattformen

Integrationsplattformen repräsentieren eine oder

mehrere Komponenten des Automatisierungssystems.

Das bedeutet, dass eine Integrationsplattform

Information über die Struktur des Systems (Komponenten

und deren Beziehungen) sowie Daten von

Komponenten enthält. Diese Information wird als

Informationsmodell abgebildet. Ein Informationsmodell

besteht in der Regel aus Objekten, die in Beziehungen

zu anderen Objekten stehen (Strukturinformation).

Objekte sind Instanzen eines Typs. Die zugehörige

Typinformation ist ebenfalls im Informationsmodell

abgebildet. Objekte besitzen Daten, die

gelesen und geschrieben (Instanzdaten) und Funktionen,

die aufgerufen werden können (Verhalten).

Dementsprechend stellt ein Informationsmodell

zur Verfügung:

Typinformation,

Strukturinformation (Objekte und Beziehungen),

Instanzdaten (Daten von Objekten) und

Information über das Verhalten von Objekten.

1.2 Trend zur Verteilung

Geräte und Subsysteme verfügen in zunehmenden

Maße über Rechenkapazität, Speicher und Kommunikationsbandbreite.

Dieser Trend zur steigenden

Intelligenz in Geräten führt dazu, dass Geräte Funktionen

selbstständig zur Verfügung stellen, die derzeit

extern in der zentralen Integrationsplattform

erbracht werden. Am Ende dieser Entwicklung agieren

Geräte und Subsysteme selbst als Integrationsplattformen

und bieten entsprechende Information

und Dienste an. Bereits heute gibt es Steuerungen und

Feldgeräte mit eingebettetem OPC UA Server. Ein

Vorteil dieser dezentralen Funktionserbringung liegt

darin, dass Funktionen einzelner Geräte sich bereits

nutzen lassen, obwohl das gesamte Automatisierungssystem

noch nicht in Betrieb genommen wurde.

Die aktuellen Entwicklungen Richtung cyberphysischer

Systeme und Industrie 4.0 verstärken den

Trend hin zu verteilten intelligenten Komponenten,

die kooperativ zusammenarbeiten. Das Ergebnis ist

ein vermaschtes Netz mit Kommunikationsbeziehungen

zwischen Anbietern von Daten und Funktionen

(Servern) und Nutzern dieser Daten und Funktionen

(Clients), siehe Bild 2.

atp edition

7-8 / 2014

43


1.3 Auflösen der Vermaschung

Der beschriebene Trend hin zu verteilten, intelligenten

Komponenten bringt Vor und Nachteile: Während des

Lebenszyklus eines Automatisierungssystems greifen

verschiedene Tools als Clients auf die Daten und

Funktionen der verteilten Server in Geräten oder Subsystemen

zu, zum Beispiel um diese zu konfigurieren.

Bei einer zentralen Integrationsplattform wird dieser

Zugriff zentral erbracht und auch zentral überwacht.

In einem Szenario mit mehreren dezentralen Integrationsplattformen

müssen Verbindungen zwischen

Clients und Servern (manuell) geplant und eingerichtet

werden. Darüber hinaus greifen Clients in der Regel

nicht nur auf ein einzelnes Gerät zu, sondern auf eine

Reihe von Geräten. Als Folge muss ein solcher Client

mehrere Server (Integrationsplattformen) kennen. Jede

dieser ClientServerVerbindungen muss zudem unter

ITSecurityGesichtspunkten aufgebaut, verwaltet und

überwacht werden. Das Planen und Einstellen verbindungsspezifischer

SecurityRichtlinien wiederum

bedeutet einen enormen Aufwand.

Es ist also eine Architektur notwendig, in der eine Aggregationskomponente

die Illusion einer zentralen Integrationsplattform

bietet. Dadurch bleiben die Vorteile

eines zentralen Zugangspunktes erhalten und die Komplexität

mehrerer ClientServerVerbindungen wird reduziert.

Die Aggregationskomponente kann zudem als Security

Supervisor agieren, der die Verbindungen aus Security

Perspektive verwaltet und überwacht. Die Aggregationskomponente

greift auf unterlagerte verteilte Integrationsplattformen

auf Geräte oder Subsystemebene zu und aggregiert

deren Struktur und Instanzdaten, siehe Bild 3.

2. GENERELLE ANFORDERUNGEN AN AGGREGATION

Integrationsplattformen stellen Typ und Strukturinformation,

Instanzdaten und Verhaltensdaten zur Verfügung,

siehe Abschnitt 1.1. Wenn Integrationsplattformen

aggregiert werden, dann muss diese Information konsolidiert

werden. Beispielsweise können semantisch

gleiche Typen in zwei verteilten Integrationsplattformen

enthalten sein. Wenn diese Integrationsplattformen aggregiert

werden, dann müssen diese beiden semantisch

gleichen Typen im Informationsmodell des Aggregationsservers

zu einem einzigen Typ konsolidiert werden.

Gleiches gilt für Objekte: Ein Informationsmodell repräsentiert

einen Teil des Automatisierungssystems. Zwei

Informationsmodelle können überlappende Teile des

Automatisierungssystems abbilden. Daraus folgt, dass

Objekte in beiden Informationsmodellen enthalten sind,

die in einem aggregierten Informationsmodell zu einem

Objekt zusammengelegt werden müssen. Damit sind die

folgenden Anforderungen zu erfüllen:

Auflösen und Zusammenführen von Typen: Typen in verschiedenen

Integrationsplattformen, die semantisch gleiche

Typen repräsentieren, müssen aufgelöst und im Aggregationsserver

zu einem Typ zusammengeführt werden.

Auflösen und Zusammenführen von Objekten: Objekte,

die in unterschiedlichen Integrationsplattformen

definiert und die Instanzen semantisch gleichartiger

Typen sind, müssen aufgelöst und im Aggregationsserver

zu Instanzen des konsolidierten Typs werden.

Zusammenführen von Strukturinformation: Referenzen

zwischen Objekten müssen aufgelöst und im

Aggregationsserver zusammengeführt werden.

Consumer

(Client)

Consumer

(Client)

Consumer

(Client)

Consumer

(Client)

Consumer

(Client)

Consumer

(Client)

Consumer

(Client)

Consumer

(Client)

Consumer

(Client)

Consumer

(Client)

Central Integration

Platform (Server)

Dev. Dev. Dev. GW Subsyst.


Dev. Dev. Dev. Dev. Dev. Dev.


BILD 1: Zentrale Integrationsplattform

BILD 2: Resultierende Vermaschung

44

atp edition

7-8 / 2014

Mapping von Strukturinformation: Objekte und deren

Unterstrukturen, die in einer Integrationsplattform definiert

sind, können in Realität Unterstrukturen von

Objekten sein, die in einer anderen Integrationsplattform

abgebildet sind. Diese Strukturen müssen von

einem Aggregationsserver zu einer übergeordneten

Struktur zusammengefügt werden.

Auflösen gleicher Objekte: Objekte, die in unterschiedlichen

Integrationsplattformen existieren, können

Abbildungen einer einzigen Entität oder verschiedener

Facetten einer einzigen Entität in der realen Welt

sein. Ein Aggregationsserver muss diese Objekte zu

einem einzigen Objekt zusammenführen.

Modifikation der Struktur: Ein Aggregationsserver

muss Dienste zum Verändern der Strukturinformation

anbieten, zum Beispiel Objekte und Referenzen erzeugen

und löschen. In solchen Fällen muss ein Aggregationsserver

die Anfragen an die betreffende unterlagerte Integrationsplattform

weiterleiten, sodass dort beispielsweise

eine Instanz des angegebenen Typs erstellt wird.

Verteilung von Typinformation: Objekte werden als

Instanzen von Typen gebildet, die in einer Integrationsplattform

bekannt sind. Der Aggregationsserver besitzt

das Wissen, welche Typen in welchen unterlagerten

Integrationsplattformen definiert sind. Dabei kann es

zu der Situation kommen, dass ein Objekt in einer Integrationsplattform

erstellt werden soll, in der der angegebene

Typ nicht bekannt ist. In einem solchen Fall

muss die nötige Typinformation an die unterlagerte

Integrationsplattform verteilt werden, sodass das Objekt

dort wie angefordert erstellt werden kann.

Zugangskontrolle: Der Zugang zu unterlagerten Integrationsplattformen

kann Beschränkungen unterliegen.

Consumer

(Client)

Consumer

(Client)

Consumer

(Client)

Aggregation

Server

Consumer

(Client)

Consumer

(Client)



BILD 3: Aggregationsserver

Ein Aggregationsserver agiert als Single Point of Access

und verwaltet und überwacht Zugriffe von Clients auf

unterlagerte Integrationsplattformen.

Eine Aggregationsarchitektur muss die beschriebenen

Anforderungen adressieren.

3. OPC-UA-BASIERTE INTEGRATIONSPLATTFORMEN

OPC UA ist eine mögliche Umsetzungstechnologie für

Informationsmodelle. Die Modellierung folgt dabei dem

objektorientierten Ansatz. Objekte und Typen werden als

Knoten im Adressraum des OPC UA Server dargestellt [3].

Von einem Wurzelknoten ausgehend gibt es im Wesentlichen

die Unterknoten Objects und Types. Der Objects

Knoten beinhaltet Unterknoten, die beispielsweise Entitäten

der realen Welt abbilden. Der TypesKnoten enthält

die Typinformation. Alle Objekte sind Instanzen der darin

enthaltenen Typen. Die Beziehungen zwischen Knoten

werden über Referenzen abgebildet, die wiederum

selbst Knoten sind (Instanzen von Referenztypen). Bild 4

zeigt ein Beispiel eines OPCUAInformationsmodells.

Im Beispiel sind zwei Objekttypen ObjectTypeA und

ObjectTypeB definiert. ObjectTypeA erbt vom Basistyp aller

Objekte, dem BaseObjectType. ObjectTypeB hingegen

erbt von ObjectTypeA und definiert ein Property MyProperty

über eine hasPropertyReferenz, eine Variable MyVariable

über eine hasComponentReferenz und eine Methode,

ebenfalls über eine hasComponentReferenz. Von ObjectTypeB

existieren zwei Instanzen Object1 und Object2.

Object1 referenziert seinen Objekttyp ObjectTypeB über

eine hasTypeDefinitionReferenz. Da Informationsmodelldiagramme

schnell unübersichtlich werden, gibt es die

alternative Möglichkeit, den Objekttyp direkt im Objekt

festzuhalten. Diese Notation wird bei Object2 genutzt.

Ein OPCUAKnoten besitzt eine Reihe von Attributen.

Neben dem ValueAttribut ist das NodeIdAttribut wichtig,

da es einen Knoten im Adressraum eines OPC UA

Server eindeutig identifiziert [4]. Die NodeId besteht aus

einem NamespaceIndex und einem Identifier. OPC UA

nutzt Namespaces, um sicherzustellen, dass Definitionen

in Informationsmodellen stets eindeutig sind. Der NamespaceIndex

zeigt auf eine Position in der Namespace

Tabelle eines OPC UA Server. Diese wiederum ist eine

Liste von Namespace URI (uniform resource identifier)

zusammen mit den zugehörigen Indizes. FDI beispielsweise

hat die Namespace URI http://opcfoundation.org/

UA/FDI/. Die zu einer Namespace URI zugeordneten

NamespaceIndizes können sich in OPC UA unterscheiden.

Dabei lassen sich die unterschiedlichen Namespace

Indizes aber immer über die NamespaceTabelle auflösen.

Der Identifier der NodeId kann entweder eine Ganzzahl,

eine UUID oder ein String sein. Auch wenn sich Identifier

wiederholen, ist die Kombination aus Namespace

Index und Identifier immer eindeutig in einem einzelnen

OPC UA Server. Zusätzlich zu den NodeIds, die einen

Knoten im Adressraum eindeutig identifizieren, besitzt

jeder Knoten noch einen Browsename. Vom Wurzelkno

atp edition

7-8 / 2014

45


Object 1

BaseObjectType

Typen

Aggregation

OPC UA Client

Configurator

1 n 1

1

BILD 4: OPC-UA-

Informationsmodell

(Beispiel)

ObjectType B:

Object 2

MyProperty

MyProperty

MyVariable

Method

ObjectType

A

ObjectType

B

MyProperty

MyVariable

OPC UA Server

1

1

1

Aggregation

Node Manager

1 1

n

OPC UA Client

1

1

1

1

1

1

Security

Manager

Discovery

Manager

Type Manager

Node Factory

Aggregation Server

Configuration

Instance

Mapping Rules

Type Mapping

Rules

MyVariable

1 n

Method

Method

Aggregated

Server

BILD 5: Systemarchitektur

ten eines OPCUSServers ausgehend, identifiziert die

Zusammensetzung der einzelnen Browsenames, Browsepath

genannt, ebenfalls einen Knoten eindeutig. Clients

können a priori Wissen über die Zusammensetzung

des Browsename nutzen, zum Beispiel weil diese in einer

Informationsmodellspezifikation wie etwa FDI definiert

sind, um die zugehörige NodeId eines Knotens beim OPC

UA Server zu erfragen. Der Zugriff auf den Knoten erfolgt

dann wiederum über dessen NodeId.

4. SYSTEMARCHITEKTUR

Dieser Abschnitt beschreibt die Systemarchitektur für die

Aggregation von Integrationsplattformen, siehe Bild 5.

Kernelemente dieser Architektur sind aggregierte Server,

Aggregationsserver und ein Aggregationskonfigurator.

4.1 Aggregierter Server

Aggregierte Server, auch unterlagerte Server genannt,

repräsentieren die Entitäten des Automatisierungssystems.

Ein aggregierter Server kann eine einzelne Komponente,

zum Beispiel ein Feldgerät, ein Subsystem, das

wiederum aus Komponenten besteht, einen Teil des

Automatisierungssystems oder aber das gesamte Automatisierungssystem

repräsentieren.

4.2 Aggregationsserver

Der Aggregationsserver stellt den Kern der Aggregationsarchitektur

dar. Er verbindet sich mit den unterlagerten

Servern über OPCUADienste und aggregiert

deren Typ, Instanz und Strukturdaten. Diese Information

wird vom Aggregationsserver selbst wieder über

OPCUADienste angeboten. Der Aufbau des Aggregationsservers

ist in Abschnitt 5 beschrieben.

4.3 Aggregationskonfigurator

Der Aggregationskonfigurator ist ein Werkzeug zur

Konfiguration des Aggregationsservers. Er erzeugt

Information über die zu aggregierenden Server. Der

Aggregationskonfigurator kann während der Planung

oder während der Laufzeit des Automatisierungssystems

eingesetzt werden. Beim Einsatz während der

Planung erzeugt der Aggregationskonfigurator Konfigurationsdaten,

siehe Abschnitt 4.4, die persistent

gespeichert werden, zum Beispiel in einer Konfigurationsdatenbank.

Während der Laufzeit, das heißt,

wenn der Aggregationsserver und die zu aggregierenden

Server verfügbar sind, greift der Aggregationskonfigurator

direkt auf den Aggregationsserver zu,

um die zu aggregierenden Server zu konfigurieren.

Der Aggregationskonfigurator wird auch dazu genutzt,

die Typ und Instanzzuordnungsregeln zu defi

n i e r e n .

4.4 Konfiguration

Die Konfiguration enthält Information über die zu aggregierenden

Server, zum Beispiel URL. Der Aggregationsserver

liest die Konfiguration, um zu wissen, welche

unterlagerten Server zu aggregieren sind.

46

atp edition

7-8 / 2014

4.5 Typzuordnungsregeln

Die Typzuordnungsregeln enthalten Information darüber,

wie semantisch gleiche Typen identifiziert werden

können. Da solche Typknoten in verschiedenen

Servern unterschiedliche NodeIds haben können, benötigt

der Aggregationsserver zusätzliche Information

für die Identifikation, beispielsweise Properties, die

verglichen werden müssen. Im Falle von FDI wird ein

Gerätetypknoten über seine Properties Manufacturer,

Model und Device Revision identifiziert [5]. Die Typzuordnungsregeln

können entweder lokal im Aggregationsserver

definiert werden oder über das Informationsmodell

des aggregierten Servers dynamisch zur

Laufzeit geladen werden. Abschnitt 6.2 beschreibt die

dafür notwendigen Ergänzungen im Informationsmodell

des aggregierten Servers.

4.6 Instanzzuordnungsregeln

Instanzzuordnungsregeln enthalten Information über

die Handhabung von Objekten. Es kann zum Beispiel

notwendig sein, beim Erkunden des Adressraums eines

unterlagerten Servers nicht weiter in Unterknoten abzuzweigen,

außer ein Client fragt explizit danach.

Gründe dafür können beispielsweise sein, dass dies

unnötige Last im unterlagerten Server erzeugen würde,

weil das interne Objektmodell geladen werden muss,

im Fall von FDI muss zum Beispiel das FDI Device

Package geladen werden. Auch Information über fest

definierte Objekte ist in den Regeln enthalten, sodass

ein Aggregationsserver diese Objekte in mehreren unterlagerten

Servern identifizieren und zusammenführen

kann. Derartige fest definierte Objekte besitzen in

der Regel eine feste NodeId, die in einer Informationsmodellspezifikation

definiert ist. Die Instanzzuordnungsregeln

können entweder lokal im Aggregationsserver

definiert oder über das Informationsmodell des

aggregierten Servers dynamisch zur Laufzeit geladen

werden. Abschnitt 6.2 beschreibt die dafür notwendigen

Ergänzungen im Informationsmodell des aggregierten

Servers.

5. ARCHITEKTUR DES AGGREGATIONSSERVERS

5.1 Aggregation Node Manager

Der Aggregation Node Manager ist der zentrale Singleton,

der die Knoten im Adressraum des Aggregationsservers

verwaltet. Der Aggregation Node Manager

setzt unter anderem die nachfolgend genannten Funktionen

um:

Er erzeugt eine OPC UA Session pro unterlagerten

Server. Sobald die Verbindung hergestellt ist, erkundet

der Aggregation Node Manager den Adressraum des

unterlagerten Servers Knoten für Knoten. Typknoten

werden dabei mit den Typzuordnungsregeln verglichen.

Im Falle von Instanzknoten werden die Instanzzuordnungsregeln

herangezogen. Anhand der

Regeln wird entschieden, wie der Knoten im Aggregationsserver

zu handhaben ist. Der Aggregationsserver

prüft außerdem, ob er die Typ- und Instanzzuordnungsregeln

dynamisch aus dem Informationsmodell

des zu aggregierenden Servers lesen kann, siehe Abschnitt

6.2. Für jeden aggregierten Knoten wird ein

Proxy-Knoten vom Aggregation Node Manager erstellt.

Die notwendigen Zuordnungsdaten jedes Proxy-Knotens

zum Originalknoten in den unterlagerten Server

werden erzeugt und verwaltet. Die Proxy-Knoten werden

dabei von der Node Factory erzeugt und an den

Aggregation Node Manager übergeben. Auch die Referenzen

zwischen Originalknoten werden vom Aggregation

Node Manager nachgebildet, sodass die ursprüngliche

Strukturinformation erhalten bleibt. Im

Falle doppelt vorhandener Knoten, zum Beispiel bei

überlappenden Strukturen, oder bereits vorhandene

Typ-Knoten, wird nur die entsprechende Mapping-

Information erzeugt und kein neuer Knoten im Adressraum

des Aggregationsservers erstellt. Alle erzeugten

Typ-Knoten werden vom Type Manager verwaltet,

siehe Abschnitt 5.2.

Ein Aggregation Node Manager kann nur Anfragen

entgegennehmen, die an einen Namespace gerichtet

sind, für den dieser zuständig ist. Darum registriert sich

der Aggregation Node Manager für alle im unterlagerten

Server vorhandenen Namespaces. Dabei werden auch

die entsprechenden Namespace-Indizes verwaltet.

Anfragen von Clients an einen Proxy-Knoten, wie

Read, Write, Subscribe, werden vom Aggregation Node

Manager aufgrund der Mapping-Tabellen an den entsprechenden

unterlagerten Server weitergeleitet. Die

NodeIds in der Anfrage werden dabei durch die NodeIds

im unterlagerten Server ersetzt. Da eine Anfrage

an den Aggregationsserver sich auf Knoten in unterschiedlich

unterlagerten Servern beziehen kann, teilt

der Aggregation Node Manager eine solche Anfrage

entsprechend auf.

5.2 Type Manager

Der Type Manager verwaltet alle Typ-Knoten im Aggregationsserver.

Dazu nutzt der Type Manager die Zuordnungsregeln,

um festzustellen, ob ein spezifischer Typ-

Knoten im Aggregationsserver bereits vorhanden ist.

Der Type Manager kennt auch alle Namespace-Tabellen

der unterlagerten Server.

5.3 Node Factory

Die Node Factory erzeugt die Proxy-Knoten. Proxy-

Knoten sind Kopien von Originalknoten, die die Attribute

enthalten, außer die Value- und NodeId-Attribute.

Das NodeId-Attribut wird mit einer neuen NodeId belegt.

Die Node Factory erstellt Proxy-Knoten für Typ-

atp edition

7-8 / 2014

47


BaseObjectType

gregationsserver dann mit der Aggregation eines solchen

unterlagerten Servers beauftragen. Die Aggregation

an sich wird dann vom Aggregation Node Manager

durchgeführt.

OpcUaServerType

AggregatedServer

Type

BaseDataVariableType:

ServerUrl

AvailableServer

SetType

OpcUaServer

AggregatedServer

SetType

Aggregated

Server

ResidesIn

Aggregate

Server

5.7 Security Manager

Der Security Manager implementiert die Zugangskontrolle

zu den aggregierten Knoten. Dabei kann der Security

Manager beispielsweise den Zugang zu einzelnen

Knoten oder generell zu Knoten eines bestimmten

unterlagerten Servers verwehren. Außerdem kann die

Art des Zugriffs eingeschränkt werden, zum Beispiel

nur lesender Zugriff, keine Methodenausführung.

ServerType

Server

BILD 6: Informationsmodell

des Aggregationsservers

und InstanzKnoten. Für die Erzeugung einer neuen

NodeId muss jeweils die Liste der fest definierten NodeIds

geprüft werden.

5.4 OPC UA Client

Der OPC UA Client kapselt die Funktionalität für die

Verbindung mit einem unterlagerten Server. Ein OPC

UA Client ist dabei mit einem unterlagerten Server verbunden.

Der OPC UA Client erhält die Anfragen über

den Aggregation Node Manager bereits mit der korrekten

NodeId im unterlagerten Server.

5.5 OPC UA Server

Der OPC UA Server bietet die Dienste des Aggregationsservers

an. Zum einen erfolgt darüber der Zugriff auf

aggregierte Knoten im Adressraum des Aggregationsservers.

Zum anderen stellt der Aggregationsserver darüber

Managementfunktionen zur Verfügung, über die sich

beispielsweise die für eine Aggregation zur Verfügung

stehenden Server abfragen lassen, siehe Abschnitt 6.1.

5.6 Discovery Manager

Object

Der Discovery Manager nutzt die OPCUADiscovery

Mechanismen, um das Netzwerk nach möglichen unterlagerten

Servern zu durchsuchen. Die gefundenen

Server werden über das Informationsmodell des Aggregationsservers

publiziert. Clients können den Ag

6. INFORMATIONSMODELL FÜR DIE AGGREGATION

Dieser Beitrag definiert zwei Informationsmodellerweiterungen,

die die Aggregation unterstützen. Abschnitt

6.1 beschreibt die Erweiterungen für den Aggregationsserver.

Dies umfasst im Wesentlichen Information und

Dienste für die Verwaltung aggregierter Server. Abschnitt

6.2 beschreibt eine optionale Erweiterung für

das Informationsmodell unterlagerter Server. Darüber

werden hauptsächlich die Typ und Instanzzuordnungsregeln

verfügbar gemacht, um eine vollständig

automatisierte Aggregation zu ermöglichen. Sind diese

Erweiterungen nicht implementiert, dann können diese

Regeln über den Aggregationskonfigurator bereitgestellt

werden, siehe Abschnitt 4.3.

6.1 Aggregationsserver

6.1.1 Informationsmodell

Der OpcUaServerType repräsentiert einen OPC UA Server.

Dazu referenziert der Type eine Variable ServerUrl,

die die URL des OPC UA Server enthält (Bild 6).

Der AggregatedServerType erbt von OpcUaServerType

und referenziert ein ServerTypeObjekt. Das Server

TypeObjekt ist in der OPCUASpezifikation definiert.

Es enthält detaillierte Information über einen OPC UA

Server, die auch Information über den aktuellen Status

zur Verfügung stellt. Der AvailableServerSetType referenziert

OpcUaServer, die für die Aggregation als unterlagerte

Server zur Verfügung stehen. Die Liste kann

dabei entweder auf der Basis von Planungsdaten oder

aber über den DiscoveryManager erstellt werden. Der

AggregatedServerSetType referenziert die aggregierten

OpcUaServer. Das erlaubt es Clients, den Zustand der

unterlagerten Server direkt im Informationsmodell des

Aggregationsservers zu beobachten. Der Aggregated-

ServerSetType enthält zudem eine Methode, die die

NodeId eines OpcUaServerKnotens im AvailableServerSet

entgegennimmt. Darüber wird der Aggregationsserver

angewiesen, den entsprechenden unterlagerten

48

atp edition

7-8 / 2014

Objects

Ava

ilab

le

Serve

rSetTy

yp

pe

AvailableServerSet

BILD 7: Informationsmodellbeispiel

BaseObjectType

BILD 8: Informationsmodell

des aggregierten Servers

Op

cUa

Serve

rTy

yp

e

Server_1

Aggrega

tedServerSetTy

pe

AggregatedServerSet

Aggre

ega

tedServe

rTy

yp

e

Server_2

AggregationSupport

Type

TypeMappingRule

SetType

TypeMappingRule

Type

InstanceMapping

RuleSetType

InstanceMapping

RuleType

TypeManagement

ServiceType

Aggre

ega

tedServe

rTy

yp

e

Server_3

TypeMappingRule

InstanceMapping

Rule

Object_A

Object_B

Reside

desIn

ResidesIn

TypeMappingRule

Set

InstanceMapping

RuleSet

ExportType

Definition

ImportType

Definition

Object_C

TypeManagement

Service

Server zu aggregieren. Dieser Server verschwindet

dann aus dem AvailableServerSet und erscheint im AggregatedServerSet.

Die ResidesInReferenz erbt vom

NonHierarchicalReferenceType. Die Referenz zeigt den

Ursprung eines aggregierten Knotens an, in dem sie den

entsprechenden AggregatedServer referenziert.

6.1.2 Beispiel

Das Beispiel in Bild 7 zeigt ein AvailableServerSet, das

einen OpcUaServer Server_1 enthält, der zur Aggregation

zur Verfügung steht. Das AggregatedServerSet enthält

die beiden AggregatedServerObjekte Server_2 und

Server_3. Die Knoten Object_A, Object_B und Object_C

wurden von diesen beiden Servern aggregiert. Die ResidesInReferenz

zeigt den Ursprung dieser Knoten im

Server_2 und Server_3 an. Object_A und Object_B

stammen aus Server_2. Object_C ist zwar ein Unterknoten

von Object_2 stammt aber dennoch aus einem anderen

unterlagerten Server Server_3.

6.2 Aggregierter Server

6.2.1 Informationsmodell

Der TypeMappingRuleSetType referenziert Objekte vom

Typ TypeMappingRuleType, siehe Bild 8. Der TypeMappingRuleType

repräsentiert die Typzuordnungsregeln.

Diese Regeln können auf der Basis von Standards erstellt

sein, zum Beispiel Regeln, um Gerätetypen in FDI zu

vergleichen. Der InstanceMappingRuleSetType referenziert

Objekte vom Typ InstanceMappingRuleType. Der

InstanceMappingRuleType repräsentiert dabei die Instanzzuordnungsregeln.

Diese Regeln können ebenso auf

einem Standard aufbauen. Der TypeManagementService-

Type bietet standardisierte Dienste zur Verwaltung von

Typen in einem OPC UA Server. Dazu werden zwei Methoden

– ExportTypeDefinition und ImportTypeDefinition

– angeboten. Die ExportTypeDefinitionMethode serialisiert

den angefragten Type. Die Methode nimmt dazu die

NodeId des Typeknotens entgegen. Rückgabewert ist eine

NodeId, unter der die serialisierte Typinformation gelesen

werden kann. Im Falle von FDI kann darüber das

zugehörige FDI Device Package gelesen werden. Die ImportTypeDefinition

nimmt serialisierte Typinformation

entgegen und erstellt den entsprechenden Typ im Typsystem

des Servers. Im Falle von FDI wird der entsprechende

Gerätetyp erstellt. Der AggregationSupportType

referenziert die TypeMappingRuleSet, das InstanceMappingRuleSet

und die TypeManagementService.

6.2.2 Beispiel

Bild 9 zeigt ein Beispiel eines unterlagerten Servers: Das

AggregationSupportObjekt ist ein Unterknoten des

ServerCapabilitiesKnotens, der Teil des StandardserverObjekts

ist. Über den AggregationSupport ist der

Aggregationsserver in der Lage, alle für die Aggregation

notwendige Information aus dem unterlagerten Server

zu lesen. In diesem Sinne fügt der AggregationSupport

Fähigkeiten zur Selbstbeschreibung hinzu. Über die TypeManagementServices,

die Bestandteil des AggregationSupports

sind, kann ein Aggregationsserver Typinfor

atp edition

7-8 / 2014

49


mationen zu den unterlagerten Servern verteilen. Beispielsweise

kann ein Client die Erstellung einer Instanz

eines bestimmten Typs in einem unterlagerten Server

anfragen. Ist der betreffende Typ im unterlagerten Server

nicht bekannt, kann der Aggregationsserver die Typinformation

über ExportTypeDefinition aus einem Server

abrufen, in dem der Type bekannt ist, und dann über

ImportTypeDefinition an den unterlagerten Server weitergeben.

Nun kann dort das angefragte Objekt erfolgreich

werden, ohne dass im Falle von FDI das zugehörige

FDI Device Package manuell importiert werden muss.

Objects

BILD 10:

Prototyp

FDI

Server 1

ServerType

Server

FDI

Server 2

REFERENZEN

BILD 9: Beispiel eines

Informationsmodells

ServerCapabilitiesType

Server

AggregationSupportType

AggregationSupport

FDI

Client

UA

Expert

Aggregation Server

FDI

Server 3

Sample

Server 1

Sample

Server 2

[1] IEC 62769-1 CDV: Field Device Integration (FDI),

Technical Specification – Part 1: Overview. IEC, 2013.

[2] IEC 62541-1: OPC UA Specification – Part 1: Concepts. IEC, 2010.

[3] IEC 62541-3: OPC UA Specification – Part 3: Address Space Model. IEC, 2010.

[4] IEC 62541-5: OPC UA Specification – Part 5: Information Model. IEC, 2011.

[5] IEC 62769-5 CDV: Field Device Integration (FDI), Technical

Specification – Part 5: FDI Information Model. IEC, 2013.

[6] Promotorengruppe Kommunikation der

Forschungsunion Wirtschaft – Wissenschaft (Hrsg.): Umsetzungsempfehlungen

für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0. April 2013

7. PROTOTYP

Das beschriebene Konzept wurde prototypisch umgesetzt.

Der dabei entwickelte Aggregationsserver wurde

genutzt, um drei FDIServer zusammen mit weiteren

OPC UA Servern aus den StackBeispielen zu aggregieren,

siehe Bild 10. Nach der Aggregation wurde der

resultierende Adressraum des Aggregationsserver mit

Hilfe des OPC UA Clients UA Expert analysiert. Darüber

wurde der Zugriff auf aggregierte Knoten geprüft.

Read, Write und SubscriptionAufrufe wurden erfolgreich

durchgeführt und an die entsprechenden unterlagerten

Server weitergeleitet. Abschließend wurde ein

FDI Client mit dem Aggregationsserver verbunden, um

zu prüfen, ob der FDI Client mit dem aggregierten Informationsmodell

dreier unterlagerter FDI Server arbeiten

kann. Da der Aggregationsserver die Illusion eines

einzigen Servers anbietet, konnte der FDI Client ohne

jede Veränderung mit dem Aggregationsserver arbeiten.

Der Prototyp demonstriert, dass das beschriebene Konzept

anwendbar ist, um mehrere unterlagerte Server zu

aggregieren und damit die Vorteile eines zentralen Zugangspunktes

mit den Vorteilen verteilter intelligenter

Komponenten zu vereinen.

Die prototypische Implementierung der beschriebenen

Aggregationsarchitektur ist in der Lage, beliebige

OPC UA Server zu aggregieren. Die Aggregation

wurde erfolgreich mit drei verschiedenen FDIServern

und mehreren OPCUABeispielservern getestet. Alle

Server wurden erfolgreich in ein einziges Informationsmodell

aggregiert. Auch die dynamische Aggregation

von Servern über DiscoveryMechanismen konnte

erfolgreich überprüft werden. Lese und Schreibaufträge

sowie Subscriptions zeigten die gewünschten

positiven Ergebnisse. Server, die die beschriebenen

Erweiterungen im Informationsmodell implementierten,

konnten zudem automatisch ohne manuelle

Konfigurationsschritte, zum Beispiel Zuordnungsregeln

für Typen, aggregiert werden. Der abschließende

Test eines FDI Clients im Zusammenspiel mit dem

Aggregationsserver und drei unterlagerten FDIServern

zeigte, dass das eigentliche Ziel, nämlich die Illusion

einer zentralen Integrationsplattform, erreicht

wurde. Der Aggregationsserver verhielt sich aus Sicht

des FDI Clients völlig transparent, sodass der FDI Client

arbeiten konnte, als wäre er mit nur einem FDI

Server verbunden.

AUSBLICK

Die flexible Zusammenarbeit intelligenter verteilter

Komponenten ist eine Kernfunktionalität für Industrie

4.0 [6]. Vermaschte Kommunikationsnetze, wie etwa

das Internet of Things, bilden einen der möglichen Lösungsansätze.

Auch wenn Kommunikation eine essenzielle

Kernfunktion für Industrie 4.0 ist, so sind die

Autoren der Meinung, dass dazu nicht zwangsläufig

50

atp edition

7-8 / 2014

eziehungsweise in allen Fällen eine vermaschte Kommunikationsstruktur

notwendig ist. Die eingangs erwähnte

Komplexität solcher Kommunikationsstrukturen

sowie die möglichen Sicherheitsrisiken beziehungsweise

der für einen sicheren Betrieb erforderliche

Administrationsauswand sind hier zu bedenken. Die

Autoren schlagen daher ein Internet of Portals vor, in

dem Aggregationsplattformen miteinander kommunizieren.

Jede Aggregationsplattform kapselt dabei Geräte,

Subsysteme oder ganze Systeme. Dabei bleiben die Kommunikationsbeziehungen

einfacher zu überblicken und

aus Sicherheitsgesichtspunkten einfacher und damit

weniger aufwendig zu administrieren. Über Mechanismen

wie Discovery und dynamische Aggregation ist das

Internet dennoch keine starre Struktur, sondern kann

sich veränderlichen Randbedingungen ebenfalls flexibel

anpassen. Das vorgestellte Konzept der OPCUA

ServerAggregation geht einen ersten Schritt in eine

solche Richtung.

MANUSKRIPTEINGANG

29.06.2014


AUTOREN

Prof. Dr.Ing. DANIEL GROSSMANN (geb. 1977)

ist Professor für Ingenieurinformatik und

Datenverarbeitung an der Technischen Hochschule

Ingolstadt. Zu seinen Forschungsthemen

zählen neben Geräteintegration vor

allem verteilte Systeme und Informationsmodellierung

in der Automatisierungstechnik

sowie industrielle Kommunikation.

Zuvor war Daniel Großmann Mitarbeiter am

Forschungszentrum Deutschland der ABB AG.

In dieser Rolle arbeitete er maßgeblich an

der FDITechnologie mit und leitete zwei

Arbeitsgruppen in der FDIStandardisierung.

Daniel Großmann studierte Maschinenbau

an der Technischen Universität München

mit den Schwerpunkten Informationstechnik

und Automatisierungstechnik. Für seine

Promotion an der TU München im Bereich

Geräteintegration erhielt er 2008 den NAMUR

Award.

Technische Hochschule Ingolstadt,

Esplanade 10, D-85049 Ingolstadt,

Tel. +49 (0) 841 93 48 28 80,

E-Mail: daniel.grossmann@thi.de

Prof. Dr.Ing. MARKUS BREGULLA (geb. 1963)

ist seit 2002 Professor für Automatisierungstechnik

an der TH Ingolstadt. Zuvor war er

als wissenschaftlicher Assistent an der

TUMünchen tätig, wo er 2002 promovierte.

Bregulla studierte Elektrotechnik und war

zunächst als Entwicklungsingenieur für

die Firma ELOP tätig bevor er als selbständiger

Berater und Softwareentwickler arbeitete.



E-Mail: markus.bregulla@thi.de

M.Sc. SUPRATEEK BANERJEE (geb. 1986) ist

seit 2012 wissenschaftlicher Mitarbeiter an der

THI Ingolstadt. Dort forscht er in den Bereichen

industrielle Kommunikation und vertikale/

horizontale Integration. Er studierte an der

Universität Stuttgart INFOTECH. Zuvor studierte

er an der West Bengal University und sammelte

Erfahrung als Systems Engineer.



E-Mail: suprateek.banerjee@thi.de

Dr. rer. nat. DIRK SCHULZ (geb. 1976) ist seit 2006

Wissenschaftler am ABB Forschungszentrum in

Ladenburg. Nach einem Studium der Technischen

Informatik an der Universität Mannheim, promovierte

er über Schutzverfahren für Taktverteilung

in synchronen EVU Weiterverkehrsnetzen.

Aktuell ist er ist als Principal Scientist für den

Bereich Netzwerkmanagement und Geräteintegration

in der Konzernforschung verantwortlich.



E-Mail: dirk.schulz@de.abb.com

Dipl.Inf. (FH) ROLAND BRAUN (geb. 1961)

studierte Informatik an der FH Köln. Nach

Stationen in der Produktentwicklung ist er

seit 2004 in der ABB Forschung tätig. Seine

Hauptarbeitsgebiete sind Geräteintegrationstechnologien,

(Feldbus)Protokolle sowie die

Mitarbeit in Standardisierungsgremien.



E-Mail: roland.braun@de.abb.com

atp edition

7-8 / 2014

51


Industrie 4.0 am Beispiel

einer Verbundanlage

Aspekte der Modellierung und dezentralen Architektur

Das Thema Industrie 4.0 verspricht umwälzende Veränderungen in der automatisierten

Fertigung, der Produktionsorganisation und den Prozessen in der Industrie.

In diesem Beitrag werden am Beispiel einer automatisierungstechnischen Verbundanlage

im Sinne eines Zusammenschlusses von Teilanlagen der beteiligten Institute

Potenziale von Industrie 4.0 aufgezeigt und in Bezug auf die Automatisierungstechnologien

diskutiert. Anhand des Anlagenverbundes werden vor allem Aspekte

des Managements von Flexibilität sowie die Möglichkeiten des Informationsaustausches

aufgrund von Dezentralität und Vernetzung verdeutlicht.

SCHLAGWÖRTER Industrie 4.0 / Flexibilität / Industrie-4.0-Komponenten /

Koordination dezentraler Systeme

Industry 4.0 and an Automated System –

Aspects of System Modeling and Decentralized Architecture

Industry 4.0 promises revolutionary changes in automated manufacturing, production

organization, and industrial processes. Its potential is demonstrated with the

integration of distributed facilities of the participating institutes and discussed with

reference to automation technologies. In particular, ways of managing flexibility and

opportunities for information exchange are highlighted for decentralised network

systems.

KEYWORDS Industry 4.0 / flexibility / Industry 4.0 components / coordination of

decentralised systems

52

atp edition

7-8 / 2014

MICHAEL WEYRICH, Universität Stuttgart

CHRISTIAN DIEDRICH, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

ALEXANDER FAY, Helmut-Schmidt-Universität Hamburg

MARTIN WOLLSCHLAEGER, Technische Universität Dresden

STEFAN KOWALEWSKI, RWTH Aachen University

PETER GÖHNER, Universität Stuttgart

BIRGIT VOGEL-HEUSER, Technische Universität München

Das flexible Management von Produktionsanlagen

ist ein zentrales Thema der Automatisierungstechnik.

Schneller neue Produkte am

Markt zu platzieren, Produktionsanlagen

optimal auszulasten, Spitzenlasten bei der

Produktion abzufedern oder Schwierigkeiten in den

Zulieferketten rasch zu begegnen, sind wichtige Anforderungen

an die Produktion, die erfolgskritisch für die

Zukunft ganzer Industriestandorte sein können.

Viele Forschungsarbeiten befassen sich daher seit

Dekaden mit Themen der Flexibilisierung beziehungsweise

mit der Erhöhung der Agilität von Produktionssystemen

aus den unterschiedlichen Perspektiven des

Produktionsmanagements, der Automatisierungstechnik

und des Maschinenbaus.

Die neuen technologischen Möglichkeiten, wie Adhoc-Vernetzung

und intelligente Steuerungen, die unter

den Schlagworten Industrie 4.0 mit Hilfe von cyberphysischen

Systemen (CPS) subsumiert werden, bieten

viele Chancen. Eine Zukunftsaufgabe ist es, Produktionsmaschinen,

Betriebsmittel, Logistik im Sinne einer

Industrie 4.0 zu organisieren [1]. Daraus entstand die

Idee, anhand des Zusammenschlusses der einzelnen

Automatisierungsanlagen der Institute der Autoren typische

Szenarien von Industrie 4.0 aufzuzeigen.

1. ANSATZ DER AUTOMATISIERUNGSVERBUNDANLAGE

Um die Herausforderungen und den Nutzen von Industrie

4.0 zu demonstrieren, werden die damit verbundenen

Verfahren und Konzepte der Automatisierungstechnik

am Beispiel der Individualproduktion vorgestellt [2, 6].

Auf dieser Basis werden Kopplungsansätze, Datenmodellierung,

dezentrale Steuerung sowie die interaktive Zuteilung

automatischer Teilanlagen diskutiert [5, 7].

Geschmacksvariationen – bestellen. Dieser Auftrag

wird dann auf den unterschiedlichen Anlagen des

Verbundes an den beteiligten Universitätsinstituten

dezentral und über Deutschland verteilt produziert.

Dabei dient das Konzept von Joghurt, der individuell

und auf Kundenwunsch produziert wird, als Beispiel

für kundenindividuelle, den sich rasch ändernden

Wünschen des Marktes anpassende Produktion und

verfolgt keineswegs den Anspruch auf eine verfahrenstechnische

Umsetzung, sondern dient als Szenario,

um die Möglichkeiten der Automatisierungstechnik

aufzuzeigen.

1.2 Die dezentrale Verbundanlage

Die Verbundanlage besteht aus einzelnen Produktionsanlagen,

die in den Laboren der Institute bereits existieren.

Bild 2 zeigt den entstehenden Produktionsverbund

sowie den Informationsfluss zwischen den Systemen.

Dabei sind die Anlagen beziehungsweise Teilanlagen

mit unterschiedlichster Steuerungstechnik

versehen, wie zum Beispiel SPS, Mikrokontroller oder

Industrie-PC. Alle Anlagen sind mit dem Internet verbunden

und können miteinander kommunizieren.

Auch die Unterstützung des Betriebspersonals durch

Informationsaufbereitung und der Einsatz von Apps

sind mit diesem Ansatz möglich.

Es ist das Ziel, bestehende Anlagen weiter zu verwenden

und diese auf der Feldebene nicht umzubauen,

sondern diese Teilanlagen zu kapseln und so in den

Industrie-4.0-Verbund einzufügen. Eine Neukonzeption

der Teilanlagen, zum Beispiel auf Basis von einheitlichen

Standards, ist nicht vorgesehen. So soll eine

einfache Integration bestehender Teilanlagen im Sinne

von Industrie-4.0-Komponenten ermöglicht werden.

1.1 Szenarien der Anwendung

Im Anwendungsszenario kann ein Kunde ein konfigurierbares

Produkt – einen Joghurt in verschiedenen

1.3 Anforderungen an die Automatisierungstechnik

Aus Sicht des Produktionsszenarios bestehen eine Reihe

von Anforderungen an die Automatisierungstech-

atp edition

7-8 / 2014

53


nologie. Dabei müssen folgende Kernanforderungen in

einem ersten Schritt realisiert werden:

Anforderung 1: Einfache Vergabe des Auftrages für

eine bestimmte Produktkonfiguration und Menge

per Handy-App oder Internet.

Anforderung 2: Automatische Auftragsplanung und

Zuteilung der geeigneten Anlage, möglichst ohne

manuelle Koordination eines Produktionsplaners.

Auch der verteilte Anlagenverbund sollte einfach

konfigurierbar sein. Benötigt wird ein flexibles und

möglichst offenes Planungssystem zur Verwaltung

der Produktionsanlagen, die ihre aktuelle Kapazität

anbieten, da diese gegebenenfalls kurzfristig

aufgrund anderer Aufträge belegt sein könnten.

Anforderung 3: Einfaches An- und Abmelden von

Produktionsanlagen und deren Kapazität im Gesamtsystem.

Bei der Planung der jeweiligen Produktion,

also dem Scheduling von Aufträgen, ergibt

sich die nächste Anforderung.

Anforderung 4: Möglichkeit der Berücksichtigung

von besonderen Kriterien, wie Energieverbrauch

von Anlagen, Wegstrecken in der Logistik, bei der

Produktionsplanung.

Es kann auch notwendig werden, bereits zugeteilte

Aufträge durch die Anlagen direkt weiter- beziehungsweise

unterzuvergeben, um zum Beispiel

unmittelbar auf Störungen reagieren zu können.

Dabei kann die Auftragsvergabe auf gleicher Ebene

erfolgen oder als teilweise Untervergabe ausgeführt

werden. Diese Vergabe sollte bilateral über die Industrie-4.0-Cloud

ausgehandelt werden, ohne die

anderen Teilnehmer behelligen zu müssen.

Anforderung 5: Möglichkeit der Bildung von Produktionsclustern

mit autarkem Auftragsmanagement

und der Möglichkeit der Untervergabe.

Schließlich ist eine Anforderung zur Betriebssicherheit

der Kommunikation wichtig, die die Zuverlässigkeit

des Kommunikationsprozesses betrifft.

Anforderung 6: Falls die Internetverbindung kurzzeitig

nicht verfügbar ist beziehungsweise unterbrochen

wird, so dürfen keine Planungsinformationen

verloren gehen.

Weitere Anforderungen, wie die einfache Bedienbarkeit

durch Anwender, Möglichkeiten der Diagnose oder Anforderungen

an die IT-Sicherheit, sind ebenfalls relevant,

werden aber im Beitrag nicht betrachtet.

Im Rahmen des Produktionsbeispiels zeigt Bild 3 die

einzelnen Vor- und Zwischenprodukte des Joghurts, wie

Geschmacksstoffe oder Verpackungsmaterialien, die mit

P1 bis P8 gekennzeichnet sind. Diese Produkte werden

in den einzelnen Prozessstufen O11 bis O14 im Sinne

der Herstellung beziehungsweise Veredelung oder der

Fertigung von Verpackungen und der Gravur der Deckel

produziert. Diese Produktionsschritte unterliegen jedoch

Restriktionen in Bezug auf die Reihenfolge der

Produktion oder müssen unmittelbar zusammenhängend

in einzelnen Chargen (Batches) erfolgen. So kann

natürlich die Veredelung mit Früchten erst erfolgen,

wenn der Joghurt hergestellt wurde, und die Abfüllung

des Joghurts sollte in einem Verfahrensschritt erfolgen.

Mit Blick auf Bild 2 sind P1 und P2 Vorprodukte für

P7. Allerdings kann P8 erst nach Verfügbarkeit von P7

durch Zugabe von P3 produziert werden. Unabhängig

davon ist die Produktion von P9, die parallel davor oder

danach erfolgen kann.

Reihenfolgerestriktionen sind besonders bei der Verteilung

der Prozesse auf die Ressourcen zu beachten.

Beim Scheduling, also dem Einplanen von konkreten

Produktionsaufträgen auf Produktionsanlagen, müssen

zudem weitere Aspekte, zum Beispiel die Logistik, berücksichtigt

werden.

Für einfache Produktionsprozesse sind diese Zuteilungen

unter Umständen sehr einfache direkte Relationen:

So kann die Herstellung des Joghurts aufgrund

von Ressourcenverfügbarkeiten womöglich nur auf

einer bestimmten Produktionsanlage erfolgen. Mit einer

zunehmenden Verfügbarkeit von redundanten Ressourcen

ergeben sich unterschiedliche Varianten für

den Produktionsprozess. Aufgrund von konkurrierenden

Produktaufträgen ergeben sich jedoch rasch

komplexe Planungsaufgaben, die zudem mit einer Vielzahl

von Restriktionen versehen sein können, was die

BILD 1: Individuelle Produktion auf Kundenwunsch

bedeutet: schnell neue Produkte am Markt

platzieren, Produktionsanlagen optimal auslasten,

Spitzenlast abfedern, Schwierigkeiten in der Zulieferkette

rasch beheben, Kundenwünsche berücksichtigen,

Produktion anpassen und flexibilisieren etc.

54

3. KONZEPTION

Die Modellierung der Verbundanlage wird mit den Konzepten

der VDI-Richtlinie 3682 beschrieben. Hierbei entspricht

es dem Stand der Technik, den Prozess formalisiert

in die Bestandteile Produkt, Prozess und Ressourcen

zu untergliedern. Diese PPR-Methodik bildet die Basis

für eine Vielzahl von industriellen Planungssystemen.

Dabei folgt die Prozessbeschreibung der Einteilung Produkt

(P), Prozesse beziehungsweise Prozessoperatoren

(O), technische Ressource (T) sowie Bilanzgrenze (B).

atp edition

7-8 / 2014

Zuteilung von Prozessen komplex macht, da die Frage

ist, wann welche Teilanlage gewählt werden soll.

3.1 Auswahl von Teilanlagen

Die einzelnen Teilanlagen stehen über Deutschland

verteilt zur Verfügung und bieten ihr Leistungsspektrum

in einem virtuellen Marktplatz an. Bild 4 (Zentraler

Marktplatz) zeigt die Grundstruktur, die als Stern

organsiert die einzelnen Anlagenkomponenten zentral

verwaltet. Im Mittelpunkt steht der Markplatz, in dem

sich alle beteiligten Teilanlagen listen lassen können.

Die Anlagen sind dabei sehr unterschiedlich und erlauben

die Realisierung unterschiedlicher Prozesse

oder können auch identische Prozessschritte redundant

abdecken, wenn sie an einer Auftragsvergabe teilnehmen.

Auf dem Marktplatz sind somit alle Teilanlagen

bekannt, wobei jeder Teilanlage ein Leistungsprofil

zugeordnet ist, in dem die Fähigkeiten beziehungsweise

Dienste beschrieben sind.

Erfolgt nun eine Anfrage bezüglich der Herstellung

einer Charge eines Produkts, so wird zunächst anhand

des Leistungsprofils geprüft, welche Teilanlagen diese

Aufgabe ausführen könnten. Sobald entsprechende Teilanlagen

identifiziert wurden, muss eine konkrete Anfrage

erfolgen, ob beziehungsweise wann die Teilanlage

tatsächlich zur Verfügung steht, da diese beispielsweise

durch Wartungsarbeiten außer Betrieb sein könnte.

Bild 4 (Zwei Marktplätze) visualisiert ein Konzept, in

dem zwei Marktplätze vorhanden sind, die teilweise

dieselben Ressourcen gelistet haben. Solche Konzepte

sind praktikabel, da es aus Sicht des einzelnen Anlagenbetreibers

sinnvoll ist, um ihre Anlagen möglichst komplett

auszulasten. Mit Blick auf einen einzelnen Marktplatz

wäre es vielleicht sonst nicht möglich, die Teilanlagen

vollständig auszulasten, da die Kapazität gar nicht

vollständig gebraucht wird. Das Spektrum der Aufträge

und die Verfügbarkeit der Teilanlagen entscheiden über

die tatsächliche Belegung der Teilanlagen.

In Bild 5 wird der Anmelde- und Anfrageprozess für

die vier Teilanlagen T14, T24, T11, T21 an einem Marktplatz

dargestellt. Dabei geht es um zwei Hauptfunktionen,

die am Marktplatz ausgeführt werden: Zum einen

die Funktion, die Leistungen im Sinne von Fähigkeiten

oder Diensten zu listen, das heißt ein Verzeichnis zu

erstellen, in dem alle technischen Möglichkeiten der

Teilanlage beziehungsweise Industrie-4.0-Komponente

dokumentiert sind. Zum anderen der Vorgang eines

Auftragsvermittlers (Brokers), der Anfragen stellt, Angebote

dazu erhält und dann schließlich die Wahl der

Beauftragung trifft.

Der Kommunikationszyklus am Marktplatz sieht wie

folgt aus: In einem ersten Schritt melden sich alle Teilanlagen

im Verzeichnis der Dienste und Fähigkeiten an.

In einem zweiten Schritt kommt eine Vermittler-, das

heißt eine Brokerfunktion zum Zuge, die ermittelt, welche

Industrie-4.0-Komponenten oder Teilanlagen geeignet

sind. In Schritt 3 und 4 werden diese Komponenten

zunächst um ein Angebot gebeten, das dann durch die

jeweiligen Industrie-4.0-Komponenten abgegeben wird.

Schließlich erfolgt in Schritt 5 die Auswahl des Angebots,

das dann abschließend (Schritt 6) beauftragt wird.

Dieses Vorgehen mit einer zentralen Stellung Marktplatz

in einer Stern-Struktur beziehungsweise Mehrstern-Struktur

hat Realisierungsvorteile, da jeweils nur

Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zum Marktplatz aufgebaut

werden müssen und jeder Marktplatz über eine

zentrale Prozessplanung und Steuerung verfügt. Allerdings

muss im Zentrum des Sterns immer die gesamte

Information vorliegen. Dies hat Nachteile im Sinne der

Informations- und der Ausfallsicherheit.

I4.0 Komponente

Teil-

Anlage

Institut

1

Forschungsverbundanlage

I4.0 Komponente

Teil-

Anlage

Institut

…

I4.0 Komponente

Teil-

Anlage

Institut

n

I4.0 Cloud-Services zur Auftragsplanung und

Zuteilung der Teilanlagen (I4.0 Komponenten)

P3

P4

P1

Joghurtherstellung

O11

P7

Joghurtveredelung

O12

B12

P8

Abfüllung

O14

P2

B11

Gäranlage

T11

Mischanlage

T12

P5

Deckelgravierung

O13

P9

B13

Fräsanlage

T13

Abfüllanlage

T14

Aufträge

HMI

P6

B14

BILD 2: Konzept des informationstechnischen

Zusammenschlusses einzelner Anlagen zu einem

virtuellen Produktionsverbund

BILD 3: PPR-Modell der Verbundanlage

atp edition

7-8 / 2014

55


Es besteht die Möglichkeit, weitere Kommunikationskanäle

zwischen den einzelnen beteiligten Ressourcen

herzustellen, wenn es um die Untervergabe von Aufträgen

oder die Abgabe von aggregierten Angeboten

geht. Beispielsweise kann im Fall einer Störung einer

Industrie-4.0-Komponente eine andere Industrie-4.0-

Komponente unterbeauftragt oder informiert werden,

ohne sich erneut an den zentralen Marktplatz wenden

zu müssen. Auf diese Weise wird Flexibilität aufgrund

der Möglichkeit von Nebenabsprachen zwischen einzelnen

Industrie-4.0-Komponenten gewonnen.

Bild 6 zeigt eine solche Struktur, in der auch zwischen

einzelnen Industrie-4.0-Komponenten direkte

Kommunikation stattfindet.

Allerdings wirft eine solche Kommunikationsstruktur

Fragen in Bezug auf die Koordination der einzelnen

Industrie-4.0-Komponenten auf, bei der die Rollen der

Kommunikationspartner und womöglich Hierarchien

definiert werden müssen. Zudem besteht die Möglichkeit,

in einem hochvernetzten Szenario in jedem Knoten

einen virtuellen Marktplatz zu duplizieren, wodurch

ein zum Beispiel ausfallsicheres System entsteht, aber

ein Synchronisationsmechanismus notwendig wird.

Die Wahl der Architektur ist vom Use Case der Anwendung

abhängig: So können Daten lokal verwaltet werden,

um den Zugriff durch andere zu verhindern. Oder es kann

ein robustes System erstellt werden, dessen Funktion

beim Ausfall aufgrund von Redundanz weiterarbeitet.

3.2 Kommunikationsarchitekturen

Die Kommunikation zwischen den Teilsystemen lässt sich

auf Basis voneinander abweichender Konzepte aufbauen.

Die Kommunikationsanbindung einzelner Systeme beziehungsweise

Industrie-4.0-Komponenten kann heute mit

Hilfe unterschiedlicher Infrastruktur erfolgen. Es existieren

auf einer syntaktischen Ebene bereits Standards und

Verfahren zur Nachrichtenübermittlung. Allerdings sind

bei der Auswahl die Rahmenbedingungen zu bedenken:

Kommunikationsgeschwindigkeit: Die Verzugszeit, mit

der Information von Sender zu Empfänger übertragen

werden muss, kann stark variieren. Handelt es sich, wie

in diesem Fall, um den Austausch von leittechnischer

Information, so sind Antwortzeiten im Bereich von Sekunden

oder Millisekunden üblich. Hingegen unterlägen

Maschinensteuerungen und Antriebsregelungen harten

Echtzeitanforderungen im Millisekunden-Bereich, was

aufgrund der Anlagenstruktur hier so nicht gegeben ist.

Übertragungsrate: Auch die Länge der zu übertragenden

Botschaft kann unterschiedlich sein und ist

grundsätzlich bei der Auswahl des Übertragungsprotokolls

zu beachten. Allerdings ist die Übertragungsrate

im Beispiel der Verbundanlage und den dort herrschenden

zeitlichen Rahmenbedingungen nicht von

zentraler Bedeutung.

Kapselung von Information: Einzelne Daten lassen

sich je nach Anwendung zu einem Portfolio aus Services

zusammenfassen. Diese Orchestrierung im Sinne

einer Service-orientierten Architektur (SOA) ist dabei

abhängig von der Art der Anwendung und den sinnvollen

Möglichkeiten der Bündelung von Diensten.

Zuverlässigkeit der Übermittlung: Insbesondere bei der

Übermittlung über Medien wie dem Internet kann nicht

immer davon ausgegangen werden, dass alle Information

vom Sender zum Empfänger gelangt. Um sicherzustellen,

dass alle gesendeten Nachrichten ankommen,

können Messaging-Systeme zum Einsatz gebracht werden,

die die Zustellung einer Nachricht sicherstellen.

Zentraler Marktplatz

Tn

T1

Tn

T11

…

Virtueller

Marktplatz

T12

T21

T4

Virtueller

Marktplatz

T2

BILD 5:

Kommunikationszyklus

zur

Belegung

Tn

Zwei Marktplätze

T11

T41

T3

…

Virtueller

Marktplatz A

T12

T21

Virtueller

Marktplatz B

T32

T31

BILD 4: Virtueller Marktplatz der Ressourcen.

Oben: zentraler Marktplatz mit Ressourcen.

Unten: unterschiedliche Marktplätze mit geteilten

Ressourcen

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Einheitliche Architektur: Ideal ist, ein einheitliches

Systemprotokoll im Sinne von OPC UA (unified architecture)

zu nutzen, um einen möglichst strukturierten

Austausch von Information sicherzustellen, das heißt,

nicht nur Daten zu übertragen, sondern auch maschinenlesbar

semantische Information zu übermitteln.

Zudem gibt es Möglichkeiten, mit Hilfe einer agentenbasierten

Architektur dezentrale Systeme zu steuern. Solche

Agentensysteme bieten die Chance, dezentral organisierte

Steuerungen beziehungsweise Optimierungen

aufzubauen. Hierzu gibt es Standards der FIPA, die die

Kommunikation zwischen Agenten regeln. Neben technischen

Überlegungen in Bezug auf die grundsätzlichen

Fähigkeiten sind ebenso Realisierungsaspekte von Bedeutung,

da die Standards und Verfahren sich im Reifegrad

und in der Verbreitung in der Praxis unterscheiden.

4. REALISIERUNG

Zur Realisierung der Verbundanlage wurden solche

Verfahren ausgewählt, die unmittelbar umsetzbar sind.

Die bestehenden Teilsysteme sollen als Industrie-4.0-

Komponenten im Verbund sichtbar werden, um diese

unmittelbar in eine Industrie-4.0-Gesamtarchitektur

zu integrieren.

4.1 Realisierung mit Agentensystem

Um die sehr unterschiedlichen Anlagen in den Verbund

flexibel einzubinden, kommt ein Agentensystem

zum Einsatz. Agenten sind dynamische und gekapselte

Module, die mit anderen Agenten und ihrer Umgebung

interagieren können. Dabei verfolgen die Agenten

eigene Ziele und haben Handlungsoptionen zur Verfügung,

wodurch ein autonomes Verhalten entsteht. Somit

bringt der Ansatz der Agentensysteme viele Voraussetzungen

zur Realisierung komplexer Kommunikationsstrukturen

mit, bei denen die Teilnehmer unterschiedliche

Rollen haben.

In Bild 7 ist die Topologie des verwendeten Agentensystems

dargestellt. Einzelne Anlagen werden durch Agenten

vertreten, die diese nach innen kapseln, um dann eine

einheitliche Schnittstelle nach außen als Industrie-4.0-

Komponente darzustellen. In der Industrie-4.0-Cloud ist

alle wichtige Information zu den beteiligten Agenten, den

Fähigkeiten und Dienstangeboten der Komponenten verzeichnet.

Die Kommunikation zwischen den Agenten ist

abhängig von der Aufgabe, die diese erfüllen sollen, und

den Fähigkeiten der einzelnen Agenten.

Innerhalb des Verbundes gibt es verschiedene Agententypen,

die unterschiedliche Ziele verfolgen und

Aufgaben wahrnehmen:

Anlagenagent: Dieser repräsentiert die jeweilige automatisierte

Maschine oder Teilanlage im Verbund über

eine einheitliche Schnittstelle. Jeder dieser Agenten verfügt

über eine spezifische Verbindung zu dem von ihm

vertretenen automatisierten System nach innen und

vertritt diese als Industrie-4.0-Komponente und deren

Ziele im Verbund. Zur Repräsentation der Industrie-4.0-

Komponente verfügen die Agenten über die Information,

über welche Fähigkeiten das System verfügt beziehungsweise

welche Aufgaben es erledigen kann. Ziele könnten

zum Beispiel die maximale Auslastung oder die Belegung

zu ganz bestimmten Zeitpunkten sein.

Benötigt ein Agent des Verbundes eine besondere Fähigkeit

einer anderen Industrie-4.0-Komponente, so

verhandeln diese Agenten untereinander. Ziel der Ver-

Virtueller Marktplatz in

der I4.0 Cloud

Angebots-

Auswahl Anmeldung

abgabe

1

2

3

4

5

6

Broker-

Funktion

Welche I4.0-Komponenten /

Teilanlagen sind geeignet?

Verzeichnis Dienste

und Fähigkeiten

Anfrage „Abfüllen“

Liste mit Komponenten

Anfragen an Anlage T14

Anfragen an Anlage T24

Abgabe von Angeboten

Abgabe von Angeboten

Auswahl des besten Angebots

Beauftragung

Welche Dienste und

Fähigkeiten stehen bereit?

Anmelden mit

Fähigkeiten

I4.0

Komponente

Abfüllanlagen

I4.0

Komponente

Gäranlagen

T14 T24 T11 T21

BILD 6:

Systemtopologie

mit Verbindung

der Ressourcen

untereinander

und zentralem

Marktplatz

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handlung ist es, eine für beide Seiten möglichst optimale

Lösung zu finden, unter Berücksichtigung der

Fähigkeiten und Randbedingungen der Einzelsysteme.

Koordinationsagent: Die Aufgabe dieser Agenten ist

die Koordination komplizierterer Abläufe innerhalb

des Verbundes, welche nicht von einem einzelnen System

im Sinne einer bilateralen Kommunikation durchgeführt

werden können. Die Koordination der Produktion

des Joghurts im Verbund durch einen Broker auf

dem virtuellen Marktplatz ist eine solche Aufgabe.

Dabei müssen die verschiedenen Arbeitsschritte organisiert

und aufeinander abgestimmt werden. Dazu

erfragt der Koordinationsagent bei der Industrie-4.0-

Cloud, welche Agenten die benötigten Fähigkeiten anbieten

und verhandelt anschließend mit diesen Agenten

die Bedingungen für die Durchführung der Produktion.

Kundenagent: Dieser Agent stellt die Schnittstelle des

Verbundes zum Menschen dar, damit der Koordinationsagent

bei den Verhandlungen die Interessen der Kunden

berücksichtigen kann. Über den Kundenagenten

kann ein Kunde neue Aufträge in das System eingeben.

Dazu interagiert der Kundenagent mit dem Koordinationsagenten

und teilt dem Kunden schließlich mit, wann

mit der Joghurt-Produktion zu rechnen ist.

Die Agenten in der Anwendung sind teilweise sehr unterschiedlich

implementiert. Einerseits gibt es eigenentwickelte

Agenten, die auch auf SPS lauffähig sind.

Hierzu wurde auf eine besonders effiziente Programmierung

geachtet. Andererseits wurden die Agenten

auf der Plattform Jade implementiert, da manche Systeme

ohnehin mit einem Industrie-PC ausgestattet sind

und durch den Einsatz von offenen Plattformen Agentenfunktionalitäten

in unterlagerten Industrie-4.0-

Komponenten genutzt werden können.

Die Verbindung zum System kann individuell verschieden

sein und von einer einfachen Feldbus-Verbindung

bis zu einer vollständigen Integration in die Steuerung

des Systems reichen.

4.2 Realisierung der Verzeichnisse in Industrie-4.0-Cloud

In einer Industrie-4.0-Cloud ist die Managementinformation

für den Agentenverbund enthalten. Im Agentenverzeichnis

sind alle am Verbund beteiligten Agenten und

deren Adressen aufgeführt. Damit dieses Verzeichnis

stets aktuell ist, überprüft das Agentensystem in regelmäßigen

Intervallen ob die eingetragenen Agenten noch

erreichbar sind und aktualisiert das Agentenverzeichnis.

Ein weiterer Bestandteil der Industrie-4.0-Cloud ist das

Dienste- und Fähigkeitsverzeichnis, aus dem mit entsprechenden

Nachrichten Information abgefragt werden

kann. Dort ist hinterlegt, welcher Agent welche Fähigkeiten

anbietet. Ein Agent, der für die Erfüllung seines

Ziels eine Fähigkeit von einem anderen Agenten benö tigt,

kann durch eine Abfrage der Verzeichnisse eine Liste mit

Agenten erhalten, die die geforderte Fähigkeit besitzen

beziehungsweise einen Dienst dazu anbieten.

In der Industrie-4.0-Cloud ist zusätzlich noch das

Botschaftsverzeichnis enthalten. In diesem Verzeichnis

ist abrufbar, welche Botschaften zur Erbringung

einer bestimmten Fähigkeit benötigt werden, dazu gehören

die Botschaften, die bei der Verhandlung benötigt

werden.

Die Industrie-4.0-Cloud wurde mit einem klassischen

zentralen Aufbau realisiert, das heißt, die Verzeichnisse

werden von einem zentralen Agenten zur Verfügung

gestellt. Vorteil dieses Aufbaus ist, dass keine

komplizierten Synchronisationen notwendig sind. Allerdings

wird die Cloud dadurch zu einem sicherheitskritischen

Punkt, da bei einem Ausfall der Verbund nur

noch sehr eingeschränkt funktionsfähig ist. Alternativ

könnte die Industrie-4.0-Cloud auf mehrere Agenten

verteilt werden; dabei ist es jedoch schwierig, die Synchronisation

sicherzustellen, damit die Verzeichnisse

der einzelnen Agenten dieselbe Information enthalten.

4.3 Realisierung der Mensch-Maschine-Schnittstelle

Die Mensch-Maschine-Schnittstelle wurde in Form

eines Kundenportals umgesetzt. Über das Kundenportal

werden Anfragen und Aufträge in die Industrie-4.0-

Verbundanlage eingebracht. Dies können zum Beispiel

Produktionsaufträge oder Diagnoseanfragen sein. Das

Kundenportal besteht aus einem Kundenagenten und

einer entsprechenden Benutzungsschnittstelle. Der

Kundenagent ist dafür verantwortlich, mit den anderen

Agenten des Industrie-4.0-Verbunds zu kommunizieren

und entsprechende Daten auszutauschen. Für die Einbringung

eines Auftrags sucht der Kundenagent in der

Industrie-4.0-Cloud nach passenden Anlagen- beziehungsweise

Koordinationsagenten, die den gewünschten

Auftrag erledigen können, und kontaktiert diese im

I4.0 Komponente

I4.0 Komponente

Gäranlage

T11

Agent

Web Socket

Abfüllanlage

T14

Agent

Web Socket

I4.0 Komponente

Mischanlage

T12

Agent

Web Socket

I4.0 Komponente

App.-

Mensch-

Maschine-

Schnittstelle

Fräsanlage

T13

Agent

Web Socket

Industrie-4.0-Cloud mit

Agenten- Management

und Koordination

Agentenverzeichnis

Kundenagent

Diensteverzeichnis

Fähigkeitenverzeichnis

BILD 7: Agententopologie der Verbundanlage

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Anschluss mit der Bitte um Zusendung eines Angebots.

Die Benutzungsschnittstelle, welche direkt an den

Kundenagenten angebunden ist, erlaubt es, externe

Aufträge in den Verbund einzubringen. Die Benutzungsschnittstelle

kann als klassische Desktopanwendung

realisiert sein, als mobile App für Smartphones

und Tablets oder als mobile Webseite. Klassische Desktopanwendungen

oder mobile Apps haben den Nachteil,

dass für jedes Betriebssystem meist eigene Anwendungen

entwickelt werden müssen, was mehr Aufwand

erfordert.

Der prototypische Aufbau der Benutzungsschnittstelle

wurde daher als mobile Webseite ausgeführt. Das

Design orientiert sich an Anwendungen für mobile

Endgeräte, besteht jedoch aus einer Webseite, die auf

sämtlichen Zielplattformen, wie Windows, iOS, Google,

aufgerufen werden kann, siehe Bild 8. Die Benutzungsschnittstelle

wurde mit HTML5 und Java Skript realisiert,

ist per Maus und per Finger bedienbar und passt

sich den verschiedenen Endgeräten, zum Beispiel

Smartphone, Tablet, Desktop, automatisch an.

Über das Kundenportal können ferner Rückmeldungen

und Information zu aktuellen Prozessen eingesehen

werden. So kann es einem Anwender ermöglicht

werden, eine Bestellung über den gesamten Produktionsprozess

zu verfolgen oder gar nachträglich Änderungen

an der Bestellung vorzunehmen.

4.4 Realisierung der Kommunikationsinfrastruktur

BILD 8:

Benutzungsschnittstelle

des Kundenportals

von

myJoghurt

Das System kommuniziert auf Basis von Web-Sockets

über das Internet. Das Protokoll verwendet TCP-Sockets

für das Senden beziehungsweise Empfangen von

Nachrichten. Alle Agenten, die eine Industrie-4.0-

Komponente vertreten, verwenden dasselbe Kommunikationsprotokoll

nach außen, um mit den anderen

Agenten des Verbundes Nachrichten auszutauschen.

Der Anlagenverbund verwendet nach außen ein Protokoll,

welches in den Grundzügen mit dem von der FIPA

definierten Protokoll zur Agentenkommunikation vergleichbar

ist. Nach innen erfolgt die Kommunikation

zur jeweiligen Anlagenkomponente hingegen sehr unterschiedlich

und ist spezifisch auf die jeweilige Teilanlage

abgestimmt.

In der vorliegenden Realisierung wird jeder Agent innerhalb

des Protokolls über die IP-Adresse und den Port

des Sockets identifiziert. Die eigentlichen Nachrichten

werden als einfache Zeichenfolgen im ASCII-Format

übertragen und nicht im HTTP-Protokoll. Eine Nachricht

besteht dabei aus einzelnen Abschnitten, welche durch

bestimmte Zeichen voneinander getrennt sind. Die Reihenfolge

der einzelnen Abschnitte ist fest definiert.

Dies erlaubt es, eine Nachricht auch auf Systemen mit

nur eingeschränkten Fähigkeiten, zum Beispiel SPS,

als Zeichenkette zu verarbeiten, da der Inhalt eines

Feldes erst nach dem Zerlegen geparst werden muss.

Dieses Protokoll wird für die Kommunikation zwischen

den Agenten und mit der Industrie-4.0-Cloud

verwendet. Hauptanteil der Kommunikation mit der

Cloud ist die Klärung der Frage, welche Agenten eine

bestimmte Fähigkeit zur Verfügung stellen beziehungsweise

unter welcher Adresse dieser Agent erreichbar

ist. Damit diese Information in der Cloud vorhanden

ist, muss sich jeder teilnehmende Agent an der Cloud

mit einer entsprechenden Nachricht anmelden. Dabei

überträgt er neben seinem Namen und seiner Adresse

eine Liste seiner Fähigkeiten.

5. VERBESSERUNG DER

KOMMUNIKATIONSINFRASTRUKTUR

Die Verfügbarkeit der Kommunikationsinfrastruktur ist

eine essenzielle Voraussetzung für die Flexibilität, durch

die Industrie-4.0-gerechte Applikationen gekennzeichnet

sind. Dies erfordert leistungsfähige Lösungen zum

Management dieser Kommunikationsinfrastruktur, der

vernetzten Industrie-4.0-Komponenten selbst und der

durch sie angebotenen Dienste. Die Anforderungen aus

der Applikation können herangezogen werden, um das

Themenfeld Quality of Service zu spezifizieren. Hierzu

gehören beispielsweise die garantierte Bereitstellung von

Bandbreite, die Zusicherung von Prioritäten, das Garantieren

von Zeitschranken und schließlich die Einhaltung

von Kommunikationskosten.

Die Integration von IT und Automatisierungsfunktionalität

erfordert eine Erweiterung des Netzwerkmanagements

dahingehend, dass es in der Lage sein muss, die

automatisierungsspezifischen Anforderungen in einer

zunehmend heterogenen Kommunikationsstruktur

handhaben zu können und dabei möglichst existierende

beziehungsweise etablierte Technologien zu integrieren.

Derzeit wird in der Automation das Simple Network Management

Protocol (SNMP) als De-facto-Standard eingesetzt.

Dies reicht jedoch nicht aus, um die gestiegenen

Anforderungen effizient erfüllen zu können.

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7-8 / 2014

59


Im Rahmen der Automatisierungsverbundanlage sollen

neue Entwicklungen wie Web Based Enterprise Management

[3], in den Anwendungskontext eingeführt werden

[4]. So nutzt Web Based Enterprise Management Technologien

wie http und XML, trägt aber ebenso Sicherheitsüberlegungen

Rechnung. Anders als bei SNMP sind Authentifikation,

Autorisation, Integrität, Verschlüsselung

und Logging fester Bestandteil der WBEM-Infrastruktur.

AUTOREN

Prof. Dr.-Ing. MICHAEL WEYRICH (geb. 1967) leitet seit April 2013

das Institut für Automatisierungstechnik und Softwaresysteme

(IAS) an der Universität Stuttgart. Zuvor war er an der Universität

Siegen Professor für Fertigungsautomatisierung. Er verfügt über

10-jährige Industrieerfahrung zunächst bei der Daimler AG und

später bei der Siemens AG. Seine Forschungsinteressen liegen auf

dem Gebiet von Cyber-physischen Produktionsmodulen sowie

Smarten Komponenten für die Automatisierungstechnik. Dabei

steht die Komposition, Modularisierung, Qualitätssicherung und

Evaluation automatisierter Systeme im Mittelpunkt der Forschung.

Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik,

Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 47, D-70569 Stuttgart,

Tel. +49 (0) 711 68 56 73 21, E-Mail: michael.weyrich@ias.uni-stuttgart.de

Prof. Dr.-Ing. CHRISTIAN DIEDRICH (geb. 1957) leitet den Lehrstuhl

Integrierte Automation an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg.

Außerdem ist er stellvertretender Institutsleiter des Ifak e.V. in

Magdeburg. Seine Hauptarbeitsfelder umfassen Beschreibungsmethoden

für Automatisierungsgeräte und -systeme, Engineeringmethoden

und Informationsmanagement, formale Methoden in der Automatisierungstechnik.

Er ist in nationalen und internationalen Standardisierungs-

und Fachgremien (IEC, DKE, ZVEI, PNO) tätig.

Otto-von-Guericke Universität Magdeburg,

Institut für Automatisierungstechnik, PF 4120, D-39016 Magdeburg,

Tel. +49 (0) 391 671 84 99, E-Mail: christian.diedrich@ovgu.de

Prof. Dr.-Ing. ALEXANDER FAY (geb. 1970) ist Professor für Automatisierungstechnik

an der Fakultät für Maschinenbau der Helmut-Schmidt-

Universität/Universität der Bundeswehr, Hamburg. Sein Forschungsschwerpunkt

sind Beschreibungsmittel, Methoden und Werkzeuge für

einen effizienten Entwurf von Automatisierungssystemen.

Helmut-Schmidt-Universität,

Holstenhofweg 85, D-22043 Hamburg

Prof. Dr.-Ing. STEFAN KOWALEWSKI (geb. 1962) leitet den

Lehrstuhl Informatik 11 – Software für eingebettete Systeme an

der RWTH Aachen. Seine Forschungsinteressen liegen in der

An wendung und Weiterentwicklung modellbasierter und

formaler Methoden beim Entwurf und der Validierung eingebetteter

Software.

RWTH Aachen,

Informatik 11, Ahornstr. 55, D-52074 Aachen,

Tel. +49 (0) 241 802 11 50, E-Mail: kowalewski@embedded.rwth-aachen.de

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. MARTIN WOLLSCHLAEGER

(geb. 1964) ist seit 2003 Inhaber der Professur

Prozesskommunikation an der TU Dresden. Arbeitsgebiete

sind industrielle Automatisierungsnetze,

Management von heterogenen industriellen Netzen,

Informationsmodelle und Beschreibungssprachen

sowie Integrationsprozesse in der Automation.

Technische Universität Dresden,

Institut für Angewandte Informatik,

D-01062 Dresden, Tel. +49 (0) 351 46 33 96 70,

E-Mail: martin.wollschlaeger@tu-dresden.de

Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. PETER GÖHNER (geb. 1950)

ist Leiter des Instituts für Automatisierungs- und

Softwaretechnik (IAS) an der Universität Stuttgart.

Seine Hauptarbeitsgebiete sind agentenorientierte

Konzepte in der Automatisierungstechnik, benutzerorientierte

Automatisierung, Energieoptimierung

in technischen Systemen, Lernfähigkeit von

automatisierten Systemen, Verlässlichkeit von

automatisierten Systemen und Wiederverwendungskonzepte

in der Automatisierungstechnik.

Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik,

Universität Stuttgart,

Pfaffenwaldring 47, D-70550 Stuttgart,

Tel. +49 (0) 711 68 56 73 01,

E-Mail: peter.goehner@ias.uni-stuttgart.de

Prof. Dr.-Ing. BIRGIT VOGEL-HEUSER (geb. 1961)

promovierte nach dem Studium der Elektrotechnik

an der RWTH (1991). Sie sammelte zehn Jahre

Industrieerfahrung, unter anderem als technische

Geschäftsführerin in der Siempelkamp Gruppe

(Anlagenbau). Nach Lehrstuhlberufungen (Hagen

1996; Wuppertal 2000; Kassel 2006) übernahm sie

den Lehrstuhl für Automatisierung und Informationssysteme

(ehemals: Lehrstuhl für Informationstechnik)

an der TUM (2009). Sie forscht an der

Entwicklung und System evolution verteilter

intelligenter Eingebetteter Systeme in mechatronischen

Produkten und Produktionsanlagen.

Lehrstuhl für Automatisierung und Informationssysteme,

Boltzmannstraße 15, D-85748 Garching bei München,

Tel. +49 (0) 89 28 91 64 00,

E-Mail: vogel-heuser@ais.mw.tum.de

60

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WBEM ist kein monolithischer Standard, sondern

bezeichnet eine Gruppe von Technologien zum Systemmanagement.

Auf Basis dieses objektorientierten Ansatzes werden die

für das Management relevanten Eigenschaften der einzelnen

Anlagenkomponenten, wie Verfügbarkeit, Auslastung,

nutzbare Dienste, Diagnoseinformation und so weiter modelliert.

Die funktionale Verknüpfung der so entstandenen

Objekte bildet die Basis für ein Funktionsmodell, das die

eigentlichen Managementaktivitäten umsetzt.

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

Im Beitrag wurde mit Hilfe von Agententechnologie eine

dezentrale Industrie-4.0-Verbundanlage exemplarisch

realisiert. Der Ansatz, ein Agentensystem zu benutzen,

hat sich in der praktischen Umsetzung als zukunfts- und

leistungsfähig erwiesen. Dabei wurden Eigenentwicklungen

betrieben und die Agentenplattform Jade eingesetzt.

Der Einsatz der existierenden Agentenplattform

Jade benötigt viele Systemressourcen. Daher müssen zur

Realisierung von Agenten auf SPS-Systemen eigene Entwicklungen

durchgeführt werden.

In Bezug auf die eingangs formulierten Anforderungen

lassen sich folgende Realisierungen resümieren:

Die Vergabe von Aufträgen (Anforderung A1) wird auf

Basis eines Web-Interfaces für Smart Phones realisiert

und ließ sich mit verfügbaren Techniken implementieren.

Die automatische Auftragsplanung (Anforderung A2)

erfolgt auf Basis eines einfachen Verfahrens zur Zuteilung

von Angeboten. Dabei kommt ein Zuteilungsverfahren

zum Einsatz, das zentral ausgeführt wird. Weiterführende

Fragen der dezentralen Zuteilung (Scheduling)

sind noch zu erforschen. Daher ist die Berücksichtigung

von komplexen Kriterien bei der Produktionsplanung

REFERENZEN

(Anforderungen A4) ebenfalls Gegenstand zukünftiger

Untersuchungen.

Ein einfaches An- und Abmelden von Produktionsanlagen

(Anforderung A3) ist auf Basis der Agentenarchitektur

umgesetzt, da derzeit keine Veränderung an

den Teilanlagen erfolgt und nur ein An- beziehungsweise

Abmelden erforderlich ist. Weitergehende Untersuchungen

mit Blick auf Re-Konfiguration im Sinne einer

Anpassung der Anlagen an geänderte Marktanforderungen

wären eine sinnvolle Weiterentwicklung [7].

Ein autarkes Auftragsmanagement, das heißt, die

Möglichkeit der Untervergabe von Aufgaben, die Teilanlagen

bereits erhalten haben (Anforderung A5), erfolgt

in der Verbundanlage durch die Jade-Agentenplattform.

Diese Untervergabe ist jedoch noch weiter auszubauen,

um beispielsweise auf Störungen schnell reagieren zu

können. Somit steht heute eine verteilte Demonstrationsanlage

zur Verfügung, mit der die Grundkonzepte

von Industrie 4.0 dargestellt werden können.

Die Anforderung nach einem sicheren Zustellen von Botschaften

(Anforderung A6) ist derzeit noch nicht realisiert,

da Web-Sockets zum Einsatz kommen. Die sichere Nachrichtenübermittlung

im Sinne der garantierten Zustellung

von Botschaften sowie einer effizienten Implementierung

wird zukünftig noch eingehender betrachtet werden. Dabei

kommt dem WBEM-Konzept besondere Aufmerksamkeit

zu. Auch spielt die Verwendung von effizienten Kommunikationsprotokollen,

wie zum Beispiel MQTT, eine Rolle.

Es ist geplant, das Szenario in einem Folgeschritt als

Referenz zur verteilten Anlagendiagnose einzusetzen.

Bei Ausfall von ähnlichen Teilkomponenten könnte

nachgefragt werden, wie dieser Ausfall gelöst wurde. Für

dieses Szenario wird erwogen, OPC UA zu nutzen, um

einen einheitlichen Datenaustausch im Anlagenverbund

zu ermöglichen.

MANUSKRIPTEINGANG

19.06.2014


[1] Weyrich, M.: Intelligenz und Vernetzung in der

Fertigung - Perspektiven aus der Forschung.

Vortrag auf dem VDI Zukunftskongress „Industrie 4.0 -

Chancen für den Produktionsstandort Deutschland“,

Düsseldorf, 30. Januar 2013

(http://www.ias.uni-stuttgart.de/service/

vor traege/weyrich/2013-01-30_VDI-Zukunftskongress.pdf)

[2] Diedrich, Ch., Fay, A., Grützner, J., Göhner, P., Vogel-

Heuser, B., Weyrich, M., Wollschlaeger, M.: Automatisierungstechnischer

Forschungsanlagenverbund für

Industrie 4.0. Markt & Technik, Industrie 4.0 Summit

2013, München, 16.-17. Oktober 2013.

[3] Distributed Management Task Force: Web-Based

Enterprise Management (WBEM) Initiative 2011.

http://www.dmtf.org/standards/wbem/.

[4] Lehmann, R., Frenzel, R., Wollschlaeger, M.:

Integriertes System- und Dienste-Management.

atp edition - Automatisierungstechnische Praxis 54(3),

S. 50-56, 2012.

[5] Bordasch, M., Göhner, P.: Fault prevention in industrial

automation systems by means of a functional model and

hybrid abnormity identification concept. In: IECON 2013

– 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics

Society, S. 2845-2850, 2013.

[6] Pantförder, D., Mayer, F., Dietrich, Ch., Göhner, P.,

Weyrich, M., Vogel-Heuser, B.: Agentenbasierte-dynamische

Rekonfiguration von vernetzten, intelligenten

Produktionsanlagen. In: Bauernhansl, T., ten Hompel,

M.; Vogel-Heuser, B. (Hrsg.) Industrie 4.0 in der

Produktion, Automatisierung und Logistik, S. 145 158.

Berlin, Springer-Verlag 2014.

[7] Weyrich, M., Wior, I., Bchennati, D., Fay, A.: Flexibilisierung

von Automatisierungssystemen: Systematisierung

der Flexibilitätsanforderungen von Industrie 4.0.

Werkstatttechnik wt-online 104(3) S. 106 111, 2014.

atp edition

7-8 / 2014

61


IT-Security-Konzepte

für die Prozessindustrie

Anforderungen im Kontext von Industrie 4.0

Die Umsetzungsempfehlungen zu Industrie 4.0 sehen in der Beherrschung der IT-

Sicherheit einen wesentlichen Erfolgsfaktor. Neue Sicherheitsarchitekturen werden

als notwendig erachtet. Der Beitrag beschreibt die IT-Sicherheit im bisherigen Umfeld

und erläutert dann die Bedingungen, die sich künftig im Kontext von Industrie 4.0

ergeben werden. Am Beispiel des Wandels von Automatisierungssystemstrukturen

in der Prozessindustrie werden Anforderungen an die IT-Sicherheit definiert und

neue mögliche Lösungsansätze zu deren Realisierung aufgezeigt.

SCHLAGWÖRTER IT-Sicherheit / Industrie 4.0 / Prozessindustrie / künftige Anforderungen

IT Security Concepts for the Process Industry –

Requirements in the Context of Industry 4.0

The recommendations for implementing the Industry 4.0 strategic initiative identify

IT security as a crucial factor for success. New, more extensive security architectures

are necessary. An overview is given of current IT security measures and requirements

are defined for IT security in the context of Industry 4.0. Taking process

engineering as an example, future requirements for IT-security are determined and

possible approaches are discussed.

KEYWORDS IT-security / Industry 4.0 / process engineering / future requirements

62

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7-8 / 2014

KARL-HEINZ NIEMANN, Hochschule Hannover

Die Strukturen von Automatisierungssystemen

in der Prozessindustrie erscheinen, im Vergleich

zur Fertigungsindustrie, relativ konventionell.

Bild 1 zeigt exemplarisch den

Aufbau einer Automatisierungsanlage in der

Prozessindustrie. Eine derartige Anlage in der Prozessindustrie

ist geprägt durch folgende Sachverhalte:

Die Kommunikation innerhalb des Automatisierungssystems

erfolgt in verschiedenen Layern

(Systembus , Feldbus , gegebenenfalls Sensor-/

Aktor-Bus ). Bei komplexeren Systemen ist zwischen

der Controller-Ebene und der Leitebene ggf.

eine weitere Ebene mit Servern vorhanden.

Die Anlage ist üblicherweise über eine Security-Appliance

an das Unternehmensnetzwerk angebunden.

Dabei ist es unerheblich, ob die Kopplung der

Netzwerke über den dargestellten Server oder direkt

zwischen den beiden Netzwerken erfolgt. Das Unternehmensnetzwerk

ist in der Regel über eine weitere

Security-Appliance mit dem Internet verbunden.

Unternehmensnetzwerk und Systembus sind

üblicherweise Ethernet-Netzwerke. Die verwendeten

Switches sind im Bild nicht dargestellt.

In vielen Fällen erfolgt die Kommunikation in der

Feldebene durch klassische Feldbusse wie zum

Beispiel Profibus und Profibus PA.

Der Feldbus ist üblicherweise jeweils einem Controller

zugeordnet. Pro Controller ist demzufolge

ein separater Feldbus vorhanden.

In Bezug auf die IT-Sicherheit einer so strukturierten

Anlage lassen sich folgende Feststellungen treffen:

Die Kommunikation innerhalb des gesamten Automatisierungssystems

erfolgt, im Sinne der IT-

Sicherheit, ungesichert und unverschlüsselt.

Eine Authentifizierung der Netzwerkteilnehmer im

Automatisierungsnetzwerk findet nicht statt.

Eine Authentifizierung der Nutzer (Anlagenbediener)

erfolgt häufig auf der Ebene von Schichtzugängen. Da

individuelle Zugänge für eine Leistungs- und Verhaltenskontrolle

herangezogen werden könnten, kommen

diese selten zum Einsatz. Die Einführung von

Systemen zur Leistungs- und Verhaltenskontrolle ist

gemäß §87(1).6 BetrVG mitbestimmungspflichtig.

Die Kommunikationsebene unterhalb der Controller

ist im Sinne der IT-Sicherheit prinzipiell Bedrohungen

ausgesetzt, deren Eintrittswahrscheinlichkeit

bisher jedoch als gering angesehen wird. Es

kommen Feldbusprotokolle zum Einsatz, die

eine SPS mit den zugeordneten I/Os verbinden.

Die klassischen Bedrohungen der Unternehmens-IT

treffen insbesondere auf die Komponenten zu, die

mit dem Systembus und dem Unternehmensnetzwerk

verbunden sind, also Controller, Server und

Operator-Konsolen, bedingt durch die Anbindung

an den Systembus mit Standard-Ethernet-Protokoll.

Ergänzt werden die beschriebenen Security-Appliances

gegebenenfalls durch weitere Schutzmaßnahmen, wie

zum Beispiel demilitarisierte Zonen.

1. ÄNDERUNG VON SYSTEMSTRUKTUREN IN DER

PROZESSINDUSTRIE

Unabhängig vom Einfluss durch Industrie 4.0 sind momentan

Änderungen in den Systemstrukturen in der

Prozessindustrie festzustellen.

Bild 2 zeigt die zurzeit stattfindende Änderung in der

Topologie von Automatisierungsanlagen, die noch nicht

auf die Konzepte von Industrie 4.0 zurückzuführen ist.

Die in Bild 1 dargestellte Hierarchie der Bussysteme löst

sich auf. Eine dedizierte Zuordnung von I/O-Systemen

zu Controllern ist nicht mehr gegeben. Jeder Controller

liest die benötigten Daten aus den entsprechenden I/O-

Systemen aus. Damit entfällt die Notwendigkeit einer

Controller-zu-Controller-Kommunikation zum Austausch

von I/O-Daten. Derartige Strukturen wurden

zum Patent angemeldet [2] und sind als Produkte am

Markt erhältlich [3]. Hierbei spielt es keine Rolle, ob das

Netzwerk, wie in Bild 2 dargestellt, als Ring oder als

redundante Stern- oder Baumstruktur ausgeführt ist.

atp edition

7-8 / 2014

63


Das in Bild 2 beschriebene System weist die folgenden

Eigenschaften auf:

Die Trennung von Systembus und Feldbus entfällt

zugunsten einer einheitlichen Kommunikationsarchitektur.

Die feste Zuordnung von I/O-Geräten (Remote-I/Os

und Gateways zu den Sensor-Aktor-Bussen) zu den

Controllern entfällt ebenfalls.

An das einheitliche Kommunikationssystem sind

Server, Operator-Konsolen, Controller und die I/O-

Systeme angeschlossen.

In Bezug auf die IT Sicherheit ist festzuhalten:

Die zuvor gemachten Aussagen in Bezug auf die

ungesicherte Kommunikation, die fehlende Authentifizierung

der Netzwerkteilnehmer und Anlagenbediener

gelten weiterhin.

Aufgrund des durchgängigen Kommunikationsmediums

sind alle Komponenten (mit Ausnahme der

Sensoren und Aktoren) über die Industrial-Ethernet-Kommunikation

erreichbar.

In einem folgenden Schritt ist zu erwarten, dass sich

Strukturen mit einer Durchgängigkeit des Industrial

Ethernet von der Leitebene bis zum Sensor und Aktor,

wie in Bild 3 dargestellt, etablieren werden.

Obwohl derzeit bereits spezielle Komponenten und

Steckverbinder in explosionsgefährdeten Bereichen

zum Einsatz kommen [4], besteht die Herausforderung

in der gleichzeitigen Energieversorgung der Komponenten

über eine Zweidrahtleitung mit Leitungslängen von

mehr als 100 m. In [5] wurde die Eignung von Industrial

Ethernet für die Sensor-/Aktor-Vernetzung untersucht.

Auf der Namur-Hauptsitzung 2013 wurde ein

erstes Konzept für eine Ethernet-Zweidrahtlösung zur

direkten Anbindung von Sensoren und Aktoren vorgestellt

[6], das die oben genannten Anforderungen erfüllen

soll. In Bezug auf die IT-Sicherheit lässt sich festhalten,

dass dadurch die Sensoren und Aktoren direkt

an das Industrial Ethernet angebunden und damit entsprechenden

Gefährdungen ausgesetzt sind.

2. ÄNDERUNG DER SYSTEMSTRUKTUREN

IM KONTEXT VON INDUSTRIE 4.0

Die erwähnten Änderungen in den Systemstrukturen

lassen erkennen, dass die im Kontext von Industrie

4.0 beschriebenen Änderungen [1] (zum Beispiel zunehmende

horizontale und vertikale Integration) sich

bereits heute in den behandelten Systemstrukturen

widerspiegeln. In [7] wird abgeleitet, dass sich einige

Konzepte von Industrie 4.0 (wie Losgröße eins, Produkt

steuert den Produktionsprozess) nicht direkt auf

die Prozessindustrie anwenden lassen. In [8] beschreibt

der Autor die weitgehende Modularisierung

von Anlagen als einen wesentlichen Aspekt für Industrie

4.0 in der Prozessindustrie. In [9] wird von

einem verstärkten Einsatz von Ad-hoc-Kommunikation

ausgegangen.

Als Arbeitshypothese für die weitere Diskussion werden

die folgenden Strukturänderungen für die Prozessindustrie

im Kontext von Industrie 4.0 angenommen:

Zunehmende horizontale und vertikale Integration

Einheitliches Kommunikationsmedium von der

Leitebene bis zum Sensor/Aktor

Modularisierung

Einsatz von intelligenten, gegebenenfalls autonom

agierenden Teilsystemen

Ad-hoc-Kommunikation, selbstorganisierende Vernetzung

Andere Aspekte wie Cloud Dienste, BYOD (bring your

own device) werden nicht weiter betrachtet.

3. BEWERTUNG DER BISHERIGEN

IT-SICHERHEITSMASSNAHMEN

Bild 4 zeigt die durchgängige Erreichbarkeit der Komponenten

eines Automatisierungssystems über ein einheitliches

Kommunikationsmedium in Abhängigkeit

von der Systemstruktur.

Es ist zu erkennen, dass aufgrund der dargestellten

Evolution die durchgängige Erreichbarkeit der Komponenten

immer weiter zunimmt. In der traditionellen

Struktur sind lediglich Server, Konsolen und Engineering-Werkzeuge

sowie die Controller an das Unternehmensnetzwerk

angebunden und durchgängig erreichbar.

Auf der Zeitschiene später liegende Strukturen erlauben

hingegen einen standardisierten Zugriff auf alle Komponenten

des Systems, einschließlich der Kommunikation

über verteilte Standorte.

Die momentan eingesetzten IT-Sicherheitskonzepte

tragen dieser Entwicklung bisher nur eingeschränkt

Rechnung. Es wird eine Abschottung der Anlage vom

Unternehmensnetzwerk empfohlen [9,10] und gegebenenfalls

eine weitere Untergliederung in Teilanlagen

[11]. Diese Vorgehensweise unterstellt Bedrohungen von

außen, die durch Security Appliances (zum Beispiel

Firewall, auch in Verbindung mit demilitarisierten Zonen

und weiteren Defense-in-depth-Maßnahmen) abzuwehren

sind. Diese Sichtweise weist nach Auffassung

des Autors die folgenden Defizite auf:

1 | Das Risiko von Innentätern ist nicht hinreichend

berücksichtigt

2 | Die Abschottung ist durchdringbar

3 | Dem beschriebenen Strukturwandel wird nicht

Rechnung getragen.

In einer Studie mit 9 600 befragten Personen aus 115

Ländern [13] ergab sich für den Bereich Öl und Gas das

in Bild 5 dargestellte Täterprofil (estimated likely source

of incidents).

Obwohl die Studie nur allgemeine IT-Sicherheitsvorfälle,

ohne konkreten Bezug zu den Automatisierungssystemen,

dokumentiert, so ist doch abzulesen, dass Angestellte und

Dienstleister eine nennenswerte Quelle möglicher Angriffe

darstellen. Für den Bereich Power and Utilities nennt die

gleiche Studie für die Kategorie Current Employees einen

64

atp edition

7-8 / 2014

Unternehmensnetzwerk

Security Appliance

Engineering

Operator

Konsole

...

Operator

Konsole

Operator

Konsole

Server

Warte

Operator

Konsole

...

Operator

Konsole

Server

Leitebene

Systembus

Controller

Industrial Ethernet

Controller

Controller

Controller

Remote-

I/O

Technischer Prozess

Feldbus

Sensor-/Aktor-Bus

Sensoren /Aktoren

Prozess

Remote-

I/O

Remote-

I/O

......

Technischer Prozess

Gateway zum

Sensor-Aktor-Bus

BILD 1: Bisherige Struktur einer Automatisierungsanlage

in der Prozessindustrie

BILD 2: Änderung der Struktur von Automatisierungsanlagen

in der Prozessindustrie

Engineering

Operator

Konsole

...

Operator

Konsole

Operator

Konsole

Server

Warte

Erreichbarkeit der Komponenten über

einheitliches Kommunikationsmedium

verteilte

Standorte

Sensoren /

Aktoren

CPS

Controller

Industrial Ethernet

Controller

Remote I/O, Antriebe

CPS

Controller

CPS

......

Technischer Prozess

BILD 3: Durchgängigkeit Industrial Ethernet

bis zum Sensor/Aktor

Server, Operator Konsolen, Engineering-Werkzeug,

Unternehmensnetzwerk

Aktuelle

Struktur

Struktur

mit Industr.

Ethernet

Struktur

mit Industr.

Ethernet bis

Sensor

Industrie

4.0

BILD 4: Erreichbarkeit von Automatisierungskomponenten

abhängig von Systemstruktur

Zeitliche

Entwicklung

Estimated likely source of incidents

Employees

Former employees

Current employees

27%

26%

Trusted advisors

Current service providers/consultants/contractors

Former service providers/consultants/contractors

Information brokers

Suppliers/business partners

16%

16%

15%

14%

BILD 5: Vermutete Quelle für

IT-Sicherheitsvorfälle in der

Öl- und Gasindustrie, siehe [13]

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7-8 / 2014

65


Anteil von 37 %. Eine andere Studie zur Auswertung von

IT-Sicherheitsvorfällen [14] ermittelte bei 63 437 erfassten

Vorfällen im Jahr 2013 einen Innentäteranteil von 18 %.

Neben der Problematik der Innentäter stellt sich weiterhin

das Problem, dass die Abschottung von Systemen gegenüber

dem Unternehmensnetzwerk und damit gegenüber dem

Internet kompromittierbar ist. Bei einem simulierten Cyber-

Angriff auf die Stadtwerke Ettlingen [15] gelang es der mit

dem Angriff beauftragten Firma in das Unternehmensnetzwerk

einzudringen und von dort in das Automatisierungsnetzwerk

für die Energieverteilung vorzustoßen. In dem

Moment, in dem Zugang zum Automatisierungsnetzwerk

besteht, können die daran angeschlossenen Komponenten

kompromittiert werden. In [16] wird zum Beispiel nachgewiesen,

dass Komponenten in elektrischen Schaltanlagen

Schwachstellen aufweisen, die sich zum Auslösen von

Schaltvorgängen nutzen lassen. [17] zeigt, dass sich speicherprogrammierbare

Steuerungen durch Einspielen eines

Software-Updates kompromittieren lassen, ohne dass dafür

ein Zugriff auf das Engineering-Werkzeug erforderlich ist.

Mit dem Übergang zu von Industrie 4.0 beeinflussten

Systemstrukturen wird es in der Prozessindustrie zu

einer weiteren Auflösung bekannter Strukturen kommen.

Die in Bild 4 dargestellte Entwicklung wird sich

verstetigen. Hieraus ergeben sich weiterreichende Anforderungen

in Bezug auf die IT-Sicherheitseigenschaften

von Automatisierungssystemen.

NR.

A1

A2

A3

A4

A5

A6

ANFORDERUNG /PROBLEMSTELLUNG

Sichere Kommunikation der Anlagenkomponenten

muss auch bei geänderter

Bedrohungslage gewährleistet sein.

Konzept muss der Einführung von

CPS Rechnung tragen. Der Einsatz von

vielen Geräten mit geringer Rechenleistung

ist zu berücksichtigen.

Berücksichtigung von Ad-hoc-Netzwerken,

selbstkonfigurierenden Netzwerken und

Integrationstopologien

Sichere Einbindung der Komponenten

in das System

Einbindung des Menschen in

das Sicherheitskonzept

Messbarkeit und Darstellung des

Sicherheitsstatus des Systems

4. ANFORDERUNGEN AN KÜNFTIGE

SICHERHEITSARCHITEKTUREN

Die Erfordernis einer verbesserten IT-Sicherheit im

Kontext von Industrie 4.0 wurde erkannt und ist bereits

an zahlreichen Stellen dokumentiert.

Der ZVEI [18] fordert zum Beispiel: „Ein umfassendes

Sicherheitskonzept für die gesamte Industrie muss

entwickelt werden. Ganzheitliche Ansätze müssen von

Beginn im täglichen Unternehmensbetrieb einbezogen

werden.“ Diese Forderung des ZVEI bezieht sich insbesondere

auf den Schutz von Firmengeheimnissen.

Die Normungs-Roadmap Industrie 4.0 der DKE [39]

gibt an: „Mit der intensiven Nutzung des Internets

auch für automatisierungstechnische Steuerungsfunktionen,

der Virtualisierung und des Cloud-Computing,

jedoch auch durch die SelfX-Technologien

(Selbstkonfiguration, Selbstheilung, Selbstoptimierung)

und die agentenmäßige Vernetzung intelligenter

Funktionen untereinander, erhält die IT-Security in

Industrie 4.0 eine besondere Bedeutung. IT-Security

ist eine wesentliche Voraussetzung für die Informationssicherheit

und eng mit dieser verbunden.“

Die Handlungsempfehlungen zu Industrie 4.0 [1]

sehen zum Thema IT-Security die folgenden

Aufgabenstellungen:

Etablierung von Security by Design als

Entwurfsprinzip

Entwicklung und Etablierung von IT-Sicherheitskonzepten,

-Architekturen und -Standards

Eindeutige und sichere Identitätsnachweise

für Produkte, Prozesse und Maschinen

A7

A8

A9

A10

A11

A12

A13

A14

A15

A16

A17

A18

Schutz von geistigem Eigentum,

Schutz gegen unautorisierten Nachbau

Anpassbarkeit an künftige Vorgaben

von Gesetzgebern und Behörden sowie

an eine geänderte Bedrohungslage.

Handhabbarkeit der Sicherheitslösung

mit angemessenem Aufwand

(Zeit, Material, Personal)

Wirksamkeit des Konzeptes bei Kommunikation

über Unternehmensgrenzen hinaus muss

gegeben sein (Kunden, Lieferanten aber auch

Ver- und Entsorger).

Berücksichtigung mobiler Geräte und gegebenenfalls

unternehmensfremder Geräte.

Berücksichtigung von Cloud-Diensten

(Unternehmens-Cloud, externe Cloud)

Berücksichtigung intelligenter

Sensorik /Aktorik

Berücksichtigung hochverfügbarer

Systemstrukturen

Produktverfolgbarkeit, Produktdokumentation,

insbesondere für Pharma-Anlagen

Berücksichtigung von funktionaler Sicherheit

Disaster Recovery

Lange Lebensdauer/Betriebsdauer

der Produktionsanlage

66

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TABELLE 1: Anforderungen und mögliche Lösungsansätze in Bezug auf

IT-Security-Maßnahmen in der Prozessindustrie im Kontext von Industrie 4.0

ERLÄUTERUNG UND MÖGLICHER LÖSUNGSANSATZ

In [21] werden die zehn wichtigsten Schwachstellen von Automatisierungssystemen beschrieben. Eine weitere Beschreibung möglicher Angriffsszenarien

auf Automatisierungssysteme findet sich in [22]. Es ist abzuleiten, dass die bisher praktizierte Abschottung von Automatisierungssystemen

unzureichend ist. Erforderlich ist eine mit kryptografischen Mitteln gesicherte Kommunikation, wie sie zum Beispiel in [23] beschrieben ist.

Auch wenn die Einführung von cyber-physischen Systemen (CPS) in Anlagen der Prozessindustrie später als in der Fertigungsindustrie

stattfinden wird, müssen die Sicherheitskonzepte den Performance-Limitierungen von CPS Rechnung tragen. Eine Berücksichtigung von

Rechnerplattformen mit begrenzten Ressourcen ist erforderlich. In [24] wird dargestellt, dass auch ressourcenbeschränkte Plattformen

mit integrierten Sicherheitsfunktionen ausgestattet werden können.

In [9] werden die Anforderungen, welche bei der Nutzung von Ad-hoc und selbstkonfigurierenden Netzwerken entstehen, beschrieben.

Insbesondere eine sichere Bindung der digitalen Identität an die physikalische Identität wird hervorgehoben. In [25] wird ein zweistufiger

Ansatz für die Industrie-4.0-Netzwerke vorgeschlagen. Der Beitrag geht davon aus, dass neben dem traditionellen Produktionsnetz ein

Industrie-4.0-Integrationsnetzwerk vorhanden ist. Ein IT-Security-Ansatz muss beide Netzwerkformen unterstützen und insbesondere eine

einfache Integration von modularisierten Anlagenkomponenten gestatten.

Um eine sichere Kommunikation gemäß Anforderung A1 zu gewährleisten, ist eine sichere Authentifizierung der Komponenten im Netzwerk

erforderlich. In [26] wird eine sichere Einbindung durch eine Public-Key-Infrastruktur beschrieben. Wichtig ist hierbei eine zuverlässige Bindung der

digitalen an die physikalische Identität. Lösungsansätze bestehen hier über Security-Token-Technologien wie sie in [9] und [27] beschrieben werden.

In [28] wird ein Abriss auf die Produktionsarbeit der Zukunft gegeben. Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter sind Bestandteil von Industrie 4.0

und aus diesem Grund in bestehende IT-Security-Konzepte einzubeziehen, wobei die Authentifizierung von Mitarbeitern einen wesentlichen

Aspekt darstellt. Darüber hinaus sollten die Konzepte so gestaltet sein, dass sie für Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter einfach nutzbar aber

auch in Bezug auf die Verhaltensüberwachung akzeptabel sind. Ein möglicher Ansatz für die Authentifizierung sind zum Beispiel Security-

Token-Technologien. Das Problem der Verhaltensüberwachung von Mitarbeitern wurde bereits erwähnt.

Die unter den Anforderungen A1 und A4 beschriebene sichere Kommunikation erlaubt das Erkennen von Datenpaketen, die in Bezug auf die

IT-Sicherheit kompromittiert sind. Die Ableitung von Alarmen sollte möglich sein. Darüber hinaus können die Komponenten eines Automatisierungssystems

eine kontinuierliche Integritätsprüfung vornehmen, wie sie in [29] beschrieben wird. Netzwerk- und Infrastrukturkomponenten

sollten in diese Überwachung einbezogen werden [20].

Eine sichere Kommunikation gemäß Anforderung A1 muss nicht zwangsläufig vertraulich sein. Für die Anwendungen, die den Schutz

geistigen Eigentums erfordern, müssen neben kryptografischen Prüfsummen gegebenenfalls Verschlüsselungsmechanismen eingesetzt

werden. Darüber hinaus ist der Aspekt der Produktpiraterie zu beachten. In [9] und [30] wird der Einsatz von Security-Token-Technologien

zum Schutz gegen unautorisierten Nachbau beschrieben.

Neben Normen und Standards zur IT-Sicherheit von Produktionsanlagen [10,11,12] sind zunehmend Vorgaben durch den Gesetzgeber [31]

oder durch Behörden [32] zu erwarten. Die IT-Sicherheitskonzepte müssen so flexibel sein, dass sie sich an eine sich ändernde Gesetzesund

Vorschriftenlage sowie an geänderte Bedrohungslagen anpassen lassen.

Die Kosten für IT-Sicherheitsvorfälle sind signifikant. Für das Jahr 2012 in Deutschland 4,8 Mio US-Dollar jährliche Kosten für IT-Sicherheitsvorfälle

im Office-Bereich nachgewiesen [33]. Der Aufwand für IT-Sicherheitsmaßnahmen, insbesondere für die Integration des IT-Sicherheitsengineerings

in das Engineering des Automatisierungssystems, sollte kostengünstiger sein. Zudem sind einfach zu handhabende Konzepte

erforderlich.

Die Verbindung von Wertschöpfungsketten im Kontext von Industrie 4.0 wird die Kommunikation von Produktionsdaten über Unternehmensgrenzen

hinaus verstärken. IT-Sicherheitskonzepte müssen diesem Umstand Rechnung tragen. Darüber hinaus ist bei Maßnahmen zur

Erhöhung der Energieeffizienz mit einer engeren Vernetzung der Produktionssysteme mit den Versorgungsnetzen zu rechnen. Auch Smart

Grids sind von Cyber-Sicherheitsaspekten betroffen [34].

Wird in diesem Beitrag nicht näher betrachtet.

Wird in diesem Beitrag nicht näher betrachtet.

Wie in Bild 3 dargestellt werden die Sensor- und Aktor-Komponenten künftig mit Industrial Ethernet Interfaces versehen werden. Die Bedrohungen,

die bisher für Steuerungen und Remote I/Os gelten, wirken nun auch auf die Sensoren und Aktoren direkt. Siehe Anforderung A2.

Automatisierungssysteme der Prozessautomatisierung sind häufig als hochverfügbare Systeme ausgelegt. In [35] werden als wesentliche

Prinzipien der Hochverfügbarkeit unter anderem Redundanz, Transparenz, Autonomie, Fehlertoleranz, Skalierbarkeit und Separation

genannt. Diese grundlegenden Prinzipien sind auf entsprechende IT-Sicherheitskonzepte anzuwenden.

Die besonderen Erfordernisse der Dokumentation von Produktionsdaten, zum Beispiel gemäß FDA CFR21 Part 11, können durch ein

entsprechendes IT-Sicherheitskonzept unterstützt werden [36].

Die Erfordernisse sicherheitsgerichteter Systeme [37] sind im IT-Security-Konzept zur berücksichtigen.

Die Fähigkeit, nach einer gravierenden Störung den Betrieb innerhalb kurzer Zeit wieder aufzunehmen, muss für das IT-Sicherheitskonzept

gelten. In [38] werden Überlegungen zur Disaster-Recovery nach einem IT-Sicherheitsvorfall angestellt. Ein Start des Automatisierungssystems

(zum Beispiel in einem Kraftwerk) muss ohne Zugriff auf das Internet möglich sein. IT-Sicherheitskonzepte müssen in diesem Fall

autark und ohne Anbindung an entfernte Server operabel sein.

Die typischen Laufzeiten von Anlagen in der Prozessindustrie sind zu beachten.

atp edition

7-8 / 2014

67


Migrationsstrategie von Industrie 3.0 zu

Industrie 4.0

Der VDE-Trendreport [19] nennt Fragen der IT-Sicherheit

als die größte Barriere im Hinblick auf die

Etablierung von Industrie 4.0 in Deutschland.

Die Fraunhofer-Verbünde definieren in ihrem Strategie-

und Positionspapier Cyber-Sicherheit 2020 [20]

eine Vielzahl von Anforderungen fokussiert auf verschiedene

Industrien, zum Beispiel Energieerzeugung

und Energieversorgung, industrielle Produktion

und Automatisierung insbesondere in Bezug auf

cyber-physische Systeme, wie sie im Kontext von

Industrie 4.0 eingesetzt werden sollen.

Tabelle 1 stellt die künftigen Anforderungen an die

IT-Sicherheit in der Prozessindustrie dar. Wie schon

ausgeführt, sind eine Reihe von Anforderungen nicht

originär auf den durch Industrie 4.0 zu erwartenden

Technologiewandel zurückzuführen, sondern auf den

bereits beschriebenen stattfindenden Wandel in Struktur

und im Aufbau von Automatisierungssystemen in

der Prozessindustrie.

Die hier definierten Anforderungen geben nur einen

ersten Ausblick auf künftige IT-Sicherheitsanforderungen

und die zugehörigen Lösungsansätze und erheben keinen

Anspruch auf Vollständigkeit. Durch die Fokussierung

auf die Prozessindustrie sind viele Anforderungen stark

an bisherigen Vorgehensweisen und Strukturen orientiert.

Dies trägt dem Aspekt Rechnung, dass eine Migration

in Richtung Industrie 4.0 in der Prozessindustrie

nach Auffassung des Autors langsamer erfolgen wird, als

in der Fertigungsindustrie.

ZUSAMMENFASSUNG

Die Anlagen der Prozessindustrie befinden sich in

einem technologischen Wandel, der bereits vor Indus-

REFERENZEN

[1] Kagermann, Henning et. al.: Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt

Industrie 4.0. Abschlussbericht des Arbeitskreises Industrie 4.0.

http://www.plattform-i40.de/sites/default/files/Abschlussbericht_Industrie4%200_barrierefrei.pdf,

11.08.2013.

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Process Control System Inputs and Outputs. 07.08.2008. Patent. Nummer:

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PM%20DeltaV%20Documents/Product-DataSheets/DS_S-series-

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About Explosion Protection? In 4th European Conference on Electrical

and Instrumentation Applications in the Petroleum & Chemical Industry,

2007; S. 1–7

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Aktorvernetzung. Schlussbericht für das Forschungsprojekt ESANA.

http://www.hs-owl.de/init/uploads/tx_initdb/esana_f.pdf

[6] Scheuermann, A.: Nächster Feldbus, diesmal ohne Krieg. In IEE Elektrische

Automatisierung + Antriebstechnik, Heft 1-2014, 2014; S. 12–13.

[7] Ziesemer, M.: Industrie 4.0:Auswirkungen auf die Prozessautomation.

Automatisierungskolloquium des Fachverbandes Automation des ZVEI

in Heidelberg am 26.09.2013.

http://www.zvei.org/Downloads/Automation/Industrie-40-Auswirkungenauf-die-Prozessindustrie.pdf

[8] Schmitz, S.: Modularisierung verfahrenstechnischer Anlagen im Kontext der

Industrie 4.0. Automatisierungskolloquium des Fachverbandes Automation

des ZVEI in Heidelberg 26.09.2013. http://www.zvei.org/Downloads/

Automation/Modularisierung-verfahrenstechni¬scher-Anlagen-im-

Kontext-der-Industrie-40.pdf

[9] Speth, W.: Nur Befehle befolgt. CPS erfordern sichere Identitäten.

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[10] PROFIBUS Nutzerorganisation e. V.: PROFINET Security Richtlinie. Richtlinie

für PROFINET. Dokument Nr. 7.001, 2013. http://www.profibus.com/nc/

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display/

[11] ODVA Inc.: Securing EtherNet/IP Networks.

http://www.odva.org/Portals/0/Library/Publications_Numbered/PUB00269R0_ODVA_Securing_EtherNetIP_Networks.pdf

[12] Informationen des UK 931.1 zur Normenreihe IEC 62443. http://

www.vde.com/de/technik/fs/seiten/informationenzu62443.aspx

[13] PWC- PricewaterhouseCoopers LLP: The Global State of

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consulting-services/information-security-survey/download.jhtml

[14] Verizon Enterprise: 2014 Data Breach Investigation Report.

http://www.verizonenterprise.com/DBIR/2014/reports/rp_Verizon-DBIR-2014_en_xg.pdf

[15] Lindner, F.: Licht aus! Sicherheit kritischer Infrastrukturen im

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[16] Coppolino, L. et al.: Exposing vulnerabilities in electric power

grids: An experimental approach. In International Journal of

Critical Infrastructure Protection, 7/2014; S. 51–60.

[17] Schuett, C. et al.: An evaluation of modification attacks on

programmable logic controllers. In International Journal of

Critical Infrastructure Protection, 7/2014; S. 61–68.

[18] ZVEI - Zentralverband Elektrotechnik und Elektronikindustrie

e. V.: Positionspapier Cyber-Sicherheit und Schutz vor Wirtschaftsspionage,

2013. http://www.zvei.org/Verband/Publikatio-

nen/Seiten/Positionspapier-Cyber-Sicherheit-und-Schutz-vor-

Wirtschaftsspionage.aspx

[19] VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik und Informationstechnik

e. V.: VDE Trendreport 2013. Schwerpunkt Industrie 4.0.

https://www.vde.com/de/InfoCenter/Seiten/Details.

aspx?eslShopItemID=a9f9d134-ecc2-420f-ad10-c9cd552d2dbf

[20] Neugebauer, Reimund et. al. (Hrsg.): Strategie-und Positionspapier

Cyber-Sicherheit 2020 - Herausforderungen für die IT-Sicherheitsforschung.

http://www.fraunhofer.de/content/dam/zv/de/

ueber-fraunhofer/wissenschaftspolitik/Fraunhofer-Strategie-%20

und%20Positionspapier%20Cyber-Sicherheit%202020.pdf

[21] Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik: Industrial

Control System Security - Top 10 Bedrohungen und Gegenmaßnahmen.

https://www.allianz-fuer-cybersicher-heit.de/ACS/

68

atp edition

7-8 / 2014

trie 4.0 begonnen hat. Durch Industrie 4.0 werden laufende

Entwicklungen weiter beschleunigt und zusätzlich

neue Impulse gesetzt. Das Thema IT-Sicherheit

wird als äußerst wichtig für den Erfolg von Industrie

4.0 eingestuft. Für Anlagen der Prozessindustrie ergeben

sich besondere Herausforderungen. Neben dem

technologischen Wandel, der durch die Konzepte von

Industrie 4.0 initiiert wird, sind zusätzlich die bekannten

Anforderungen in Bezug auf Sicherheit (Safety),

Hochverfügbarkeit sowie lange Betriebsdauer zu

berücksichtigen. Die künftigen Anforderungen in Bezug

auf die IT-Sicherheit, die zum Teil auch ohne Industrie

4.0 zu erfüllen sind, wurden beschrieben. Mögliche

Lösungsansätze für die einzelnen Aspekte wurden

aufgezeigt.

MANUSKRIPTEINGANG

20.06.2014


AUTOR

Prof. Dr.-Ing. KARL-HEINZ NIEMANN

(geb. 1959) vertritt seit 2005 die Lehrgebiete

Prozessinformatik und Automatisierungstechnik

an der Hochschule Hannover. Von

2002 bis 2005 war er an der Fachhochschule

Nordostniedersachsen für das Lehrgebiet

Prozessdatenverarbeitung verantwortlich.

Davor war er in leitender Stellung in der

Entwicklung von Prozessleitsystemen tätig,

unter anderem bei ABB, Elsag Bailey und Hartmann & Braun.

Hochschule Hannover, Fakultät I – Elektro- und Informationstechnik,

Postfach 92 02 61, D-30441 Hannover, Tel. +49 (0) 511 92 96 12 64,

E-Mail: Karl-Heinz.Niemann@HS-Hannover.de

DE/_downloads/techniker/hardware/BSI-CS_005.pdf?__

blob=publicationFile

[22] Krotofil, M. et al.: Industrial control systems security: What is

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Industrial Informatics (INDIN), 2013; S. 670–675. DOI 10.1109/

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[23] Runde, M., Tebbe, C., Niemann, K.-H., Börgmann, A.: IT-Security

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[31] Referentenentwurf des Bundesministeriums des Innern Entwurf eines

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https://www.bmi.bund.de/SharedDocs/Downloads/DE/Gesetzestexte/

Entwuerfe/Entwurf_it-sicherheitsgesetz.pdf

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1a EnWG. http://www.bundesnetzagentur.de/cln_1931/DE/Sachgebiete/

ElektrizitaetundGas/Unternehmen_Institutionen/Versorgungssicherheit/

IT_Sicherheit/IT_Sicherheit_node.html

[33] Ponemon Institute LLC: 2013 Cost of Data Breach Study. Global Analysis.

https://www4.symantec.com/mktginfo/whitepaper/053013_GL_NA_WP_

Ponemon-2013-Cost-of-a-Data-Breach-Report_daiNA_cta72382.pdf

[34] Wagner, M. et al.: Smart grid cyber security: A German perspective: 2012

International Conference on Smart Grid Technology, Economics and Policies

(SG-TEP), 2012; S. 1–4. DOI 10.1109/SG-TEP.2012.6642389.

[35] Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (Hg.) (2009):

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https://www.bsi.bund.de/SharedDocs/Downloads/DE/BSI/Hochverfuegbarkeit/3_Prinzipien_Verfuegbarkeit_pdf.pdf

[36] Xcert International, Inc.: Meeting the FDA’s Requirements for Electronic Records

and Electronic Signatures (21 CFR Part 11). Hg. v. Inc. Xcert International.

http://www.21cfrpart11.com/files/library/compliance/xcert_fda_white_paper.pdf

[37] Wieczorek, F. et al.: Zusammenhang von Security und Funktionaler Sicherheit.

Relevante Begriffe und Zuordnungen für die Automatisierung. In atp-edition,

06-2013; S. 40–46.

[38] Al-Khabbaz, F. et al.: Disaster recovery planning & methodology for Process

Automation Systems: IEEE EUROCON 2011 - International Conference on

Computer as a Tool, 2011; S. 1–4. DOI: 10.1109/EUROCON.2011.5929151.

[39] Die deutsche Normungs-Roadmap Industrie 4.0. Version 1.0 Stand 1.12.2013.

http://www.dke.de/de/std/informationssicherheit/documents/rz_roadmap%20

industrie%204-0_email.pdf

atp edition

7-8 / 2014

69

HAUPTBEITRAG | AALE

Modellbasierter Entwurf

in der Anwendung

Automatisierung von Teilprozessen einer Abfüllanlage

Am Beispiel der Automatisierung einer Sortierstation einer Flaschenabfüllanlage

wird ein modellbasierter Entwurf mittels Matlab/Simulink, Stateflow und einer

erforderlichen Toolbox zur automatischen Codegenerierung durchgeführt. Als Zielsystem

wird das M1-System der Firma Bachmann eingesetzt. Im Beitrag wird der

Entwurf für zwei Teilprozesse der Station Sortieren beschrieben und umgesetzt.

Abschließend wird das Ergebnis der Automatisierung der Teilprozesse durch einen

modellbasierten Entwurf bewertet, was die Umsetzbarkeit und Effizienz, sowie die

Portierbarkeit auf andere Zielsysteme betrifft.

SCHLAGWÖRTER Automatische Codegenerierung / Automatisierung / modellbasierter

Entwurf / Matlab/Simulink / Stateflow

Applying a Model-based Design –

Automation of Sub-processes in a Bottle Filling Plant

For the automation of the sorting station of a bottle filling plant, a model-based design

was produced using MATLAB/Simulink®, Stateflow® and a toolbox for automatic

code generation. The M1-System from Bachmann was used as the target system. Two

sub-processes of the sorting station are described. The results of the automation of

the sub-processes using a model-based design are evaluated in terms of feasibility,

efficiency and portability to other target systems.

KEYWORDS automatic code generation / automation / model-based design /

Matlab/Simulink / Stateflow

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PERCY STEFAN STELTER, BERND BÜCHAU, GERALD GRÖBE, Fachhochschule Stralsund

Eine Flaschenabfüllanlage, die aus vier unterschiedlichen

Stationen besteht, soll automatisiert

werden. Für die Station Sortieren wird ein

modellbasierter Entwurf mittels Matlab/Simulink,

Stateflow und einer erforderlichen Toolbox

zur automatischen Codegenerierung durchgeführt,

um diese Methode für diesen Anwendungsfall zu erproben

[3]. Um dies verwirklichen zu können, muss ein

geeignetes Automatisierungssystem zum Einsatz kommen.

Als geeignetes Zielsystem bietet sich das M1-System

der Firma Bachmann an.

1. AUSGANGSSITUATION

Die Flaschenabfüllanlage ist in vier Stationen unterteilt.

Zu diesen gehören

die Station Abfüllen

die Station Sortieren

die Station Recycling

die Station Puffern und Handhaben

Die Stationen werden in der angegebenen Reihenfolge

durchlaufen. Der Gesamtprozess ist als Rundlaufprozess

vorgesehen. Bild 1 gibt einen groben Überblick

über die Flaschenabfüllanlage und deren Stationen.

Der Beginn des Rundlaufprozesses ist die Station Abfüllen

(Position 1 in Bild 1). In dieser Station werden

die Flaschen mit zwei unterschiedlichen Flüssigkeiten

gefüllt und nach dem Befüllen mit einem Schraubdeckel

verschlossen.

Nach der Station Abfüllen werden die Flaschen über

Transportbänder der Station Sortieren (Position 2 in

Bild 1) zugeführt. In dieser werden die Flaschen auf

zwei Bändern sortiert und zwischengepuffert. Anschließend

werden die Flaschen über Transportbänder

zur Station Recycling (Position 3 in Bild 1) befördert.

In der Station Recycling werden die Deckel der Flaschen

durch einen Roboter entfernt und die Flüssigkeit

abgesaugt. Die Flüssigkeit wird zur Station Abfüllen

gepumpt, dort in einem Behälter aufgefangen, um erneut

in Flaschen abgefüllt zu werden. Die Deckel werden

ebenfalls über die Station Puffern und Handhaben

(Position 4 in Bild 1) der Station Abfüllen zugeführt.

Nach der Station Recycling werden die Flaschen über

Transportbänder wieder der Station Abfüllen zugeführt.

Zum Unterbrechen des Rundlaufprozesses befindet

sich auf dem Transportband zur Station Abfüllen

eine Auffangvorrichtung, mit der leere Flaschen aufgefangen

und gepuffert werden.

1.1 Prozessbeschreibung der Station Sortieren

In Bild 2 ist das Technologieschema der Station Sortieren

dargestellt. Der Prozess besteht aus den sechs Systemkomponenten

Einlaufband, Sortierband 1, Sortierband 2,

Zwischenband 1, Zwischenband 2 und Auslaufband.

Einlaufband

Die gefüllten und verschlossenen Flaschen werden von

der Station Abfüllen an die Station Sortieren übergeben

und laufen über das Einlaufband in die Station ein.

Am Einlaufband befinden sich eine Lichtschranke, ein

RFID-Sensor und eine Weiche.

Durchläuft eine Flasche die Lichtschranke S-1B1, die

sich am Anfang des Einlaufbandes befindet, wird der

nachfolgende RFID-Sensor für eine definierte Zeit aktiv

geschaltet. Der RFID-Sensor erfasst die im Flaschenlabel

kodierte Kennung der vorbeilaufenden Flasche und

bestimmt dadurch den Zustand (Inhalt). Durch die Zustandsbestimmung

wird die Weiche gesteuert.

Befindet sich Flüssigkeit 1 in der Flasche oder ist bei

der Zustandsbestimmung ein Fehler aufgetreten, wird

die Flasche durch die Weiche auf das Sortierband 1

geleitet. Befindet sich in der Flasche die Flüssigkeit 2,

wird die Flasche auf das Sortierband 2 gelenkt.

Sortierband 1

Die gefüllten und verschlossenen Flaschen werden

durch die Weiche auf das Sortierband 1 beziehungsweise

auf das Sortierband 2 geleitet. Am Sortierband 1

befinden sich drei Lichtschranken und ein Stopper.

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HAUPTBEITRAG | AALE

Signalisiert die Lichtschranke S-2B2, dass sich vor dem

Stopper 1 eine Flasche befindet und signalisiert die

Lichtschranke S-2B5, dass sich hinter dem Stopper 1

keine Flasche befindet, wird die Flasche nach einer

definierten Zeit ausgegeben. Der Stopper 1 ist mechanisch

so konstruiert, dass sich immer nur eine Flasche

ausgeben lässt.

Durchläuft eine Flasche die Lichtschranke S-2B1, die

sich am Anfang des Sortierbandes 1 befindet, wird das

Einlaufband angehalten. Diese Funktion dient zur Verhinderung

eines Flaschenstaus auf dem Sortierband 1.

Signalisiert die Lichtschranke S-2B1, dass sich dort

keine Flasche mehr befindet, wird das Einlaufband

wieder eingeschaltet.

Meldet die Lichtschranke S‐1B1 am Einlaufband und

die Lichtschranke S‐2B2 vor Stopper 1 keine Flasche,

wird das Sortierband 1 nach einer definierten Zeit abgeschaltet.

Erst beim Durchlauf einer Flasche durch

eine der beiden Lichtschranken oder Betätigung des

Tasters Start am Bedienpanel, wird das Sortierband 1

wieder gestartet.

Sortierband 2

Die Funktionen von Sortierband 1 und Sortierband 2

sind identisch mit den dazugehörigen drei Lichtschranken

(S-3B2, S-3B5 und S-3B1) und dem Stopper 2.

Zwischenband 1

Das Zwischenband 1 ist das Transportband zwischen

den Sortierbändern 1 und 2 und dem Zwischenband 2.

Wurde eine Flasche aus einem der Sortierbänder ausgegeben,

wird dies durch die Lichtschranke S-2B5 beziehungsweise

S‐3B5 erkannt und das Zwischenband 1

für eine definierte Zeit eingeschaltet – dies gilt auch

nach Drücken des Tasters Start.

Zwischenband 2

Das Zwischenband 2 ist das Transportband zwischen

dem Zwischenband 1 und dem Auslaufband. Die Funktionen

vom Zwischenband 2 sind gleich denen von

Zwischenband 1 mit den dazugehörigen beiden Lichtschranken

S‐2B5 und S‐3B5.

Auslaufband

Das Auslaufband ist das Transportband zwischen dem

Zwischenband 2 und der Station Recycling. Die Funktionen

vom Auslaufband sind gleich denen von Zwischenband

1 mit den dazugehörigen beiden Lichtschranken

S‐2B5 und S‐3B5. Das Auslaufband übergibt

die gefüllten und verschlossenen Flaschen an die Station

Recycling.

2. ENTWICKLUNGSUMGEBUNG FÜR

MODELL BASIERTEN ENTWURF

Dieser Abschnitt befasst sich mit der funktionalen Beschreibung

des M1-Systems der Firma Bachmann, das

für den modellbasierten Entwurf geeignet ist [4]. Konventionelle

Automatisierungssysteme, die ausschließlich

eine herstellerspezifische Entwicklungsumgebung

beinhalten, unterstützen dies nicht.

Mit dem M1-System ist die Modellierung mittels Matlab/Simulink

und Stateflow möglich. Die Implementierung

erfolgt über den Real-Time Workshop und das

M-Target for Simulink (Toolbox zur automatischen

Codegenerierung). Der Vorteil bei diesem System ist,

dass sich der im M-Target for Simulink generierte Code

direkt auf das Zielsystem laden lässt, wie in Bild 3 dargestellt

[5].

Eine weitere Alternative ist die entsprechende Entwicklungsumgebung

von Siemens für PC-basierte Controller,

die einen nahezu durchgängigen Entwicklungsprozess

bietet, wie Bild 3 zeigt. Allerdings sind hier

noch Zwischenschritte erforderlich, um den generierten

Quellcode ablauffähig in den PC-basierten Controller

zu portieren [6].

Eines haben alle angebotenen Systeme für den modellbasierten

Entwurf gemeinsam: Für die Konfiguration

des Automatisierungssystems ist die herstellerspezifische

konventionelle Entwicklungsumgebung erforderlich.

Im Fall des Automatisierungssystems von

Bachmann handelt es sich um das SolutionCenter.

3. AUTOMATISIERUNGSSYSTEM IM PROZESS SORTIEREN

Um alle Funktionen der Station Sortieren der Flaschenabfüllanlage

bedienen zu können, wird das M1-System

aus mehreren Komponenten zusammengestellt. Zu diesen

gehören:

Laststromversorgung (NT255)

Prozessormodul (MPC270)

Profibus-DP-Master-Modul (DPM200)

CANopen-Master-Modul (CM202)

digitales Ein- und Ausgabemodul (DIO248)

Bild 4 gibt einen Überblick über das eingesetzte M1-

System und dessen Anbindung an die Station Sortieren

der Flaschenabfüllanlage.

4. VORGEHENSWEISE BEIM M1-SYSTEM

Für den modellbasierten Entwurf sind drei Schritte

durchzuführen:

1 | Modellierung: Bei der Modellierung wird ein Modell

der Anlagesteuerung mittels Matlab/Simulink

und Stateflow erzeugt. Dieses Modell beinhaltet

alle Funktionen des Prozesses.

2 | Implementierung: Mittels Real-Time Workshop

wird aus der Modellierung ein C++ Code generiert.

Dieser Code wird automatisch im M-Target

für Simulink (Toolbox zur automatischen Codegenerierung)

in ein Programm für das Zielsystem

umgewandelt.

3 | Übertragung des Quellcodes in das Zielsystem: Der

generierte Code wird auf das M1-System übertragen.

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BILD 1: Schematische Darstellung des Materialflusses

der Flaschenabfüllanlage

BILD 3: Entwicklungsumgebungen für

den modellbasierten Entwurf von

Bachmann (links) und Siemens (rechts)

BILD 2: Technologieschema der Station Sortieren

in der Draufsicht

BILD 4: Komponentenstruktur des M1-Systems

der Station Sortieren

BILD 5: Struktur des

modellbasierten Entwurfs

für die Station Sortieren

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HAUPTBEITRAG | AALE

5. ENTWURF UND UMSETZUNG

Dieser Abschnitt befasst sich mit der Automatisierung

ausgewählter Teilprozesse der Station Sortieren. Für

den Entwurf müssen die Teilprozesse der Anlage inklusive

der übergeordneten Koordination und der

Funktionalität des Bedienpanels dieser Station modelliert

werden, wie in Bild 5 dargestellt.

Die Koordination der Teilprozesse beinhaltet die

Kommunikation über Profinet mit den benachbarten

Stationen der Flaschenabfüllanlage, die in Form eines

Subsystems modelliert werden muss. In gleicher Weise

muss für das Einlaufband der RFID-Sensor und für das

Auslaufband der Antrieb mit dem CAN-Bus-Interface

modelliert werden. Das Bedienpanel und die Zwischenbänder

1 und 2 beinhalten lediglich Sensoren und Aktoren,

die über die IO-Baugruppen angesteuert werden

müssen und sind somit ebenso einfach wie die Sortierbänder

zu modellieren.

In diesem Beitrag werden exemplarisch das Bedienpanel

und die Sortierbänder 1 und 2 modelliert.

5.1 Automatisierung des Bedienpanels

Das Bedienpanel hat folgende fünf Bedienelemente:

Taster Start mit integriertem Leuchtmelder

Taster Stop

Taster Reset mit integriertem Leuchtmelder

Taster Not-Aus-Quittierung

Schalter Not-Aus

Durch das in Bild 6 gezeigte Petri-Netz wird ein Überblick

über die Funktionen zur Koordination der Station

Sortieren über das Bedienpanel gegeben. Dieses Petri-

Netz ist den Petri-Netzen zur Automatisierung der Sortierbänder

1 und 2 übergeordnet.

Not-Aus-Gerät

Im Petri-Netz von Bild 6 und im Signalflussplan von

Bild 7 wird der Begriff Not-Aus-Gerät verwendet. Das

Not-Aus-Gerät besteht aus einem Not-Aus-Schalter und

einem Not-Aus-Quittierungs-Taster am Bedienpanel,

sowie dem Sicherheitsschaltgerät. Wurde am Bedienpanel

der Not-Aus-Schalter betätigt, wird über das Sicherheitsschaltgerät

mechanisch das digitale Ein-/

Ausgangsmodul DIO248 von der Spannungsversorgung

getrennt. Dadurch werden alle Ausgänge des Moduls

spannungslos geschaltet und ein Fehler im M1-System

erzeugt, der den Programmablauf unterbricht. Erst

nach dem Entriegeln des Not-Aus-Schalters am Bedienpanel

und der Quittierung über den Not-Aus-Quittierungs-Taster

wird das Ein-/Ausgangs-Modul über

das Sicherheitsschaltgerät wieder aktiv geschaltet.

Dadurch liegt der entstandene Fehler nicht weiter im

Automatisierungssystem vor und der Programmablauf

wird fortgesetzt.

Die Implementierung für die Steuerung der Station

Sortieren über das Bedienpanel mittels Matlab/Simulink

und Stateflow zeigen die Bilder 7 und 8. Die beiden

Zustandsautomaten haben die gleiche Funktion und

dienen der Erzeugung eines digitalen 2 Hz-Signals für

die Blinkfunktion der Leuchtmelder, die in den Tastern

integriert sind.

In Simulink gibt es keine standardisierten Bausteine.

Deshalb wurden alle verwendeten RS-Flip-Flops der

Bilder 7 und 10 durch das Zusammenfügen von Simulink-Bausteinen

erstellt, wie dies in der unteren rechten

Ecke von Bild 7 dargestellt ist.

Den Zustandsautomaten im Bild 7 werden über den

oberen Eingang die Ereignisse und über den seitlichen

Eingang die Bedingung aus Simulink übergeben. Der

Wechsel von einem Zustand in einen anderen geschieht

nur, wenn ein Ereignis auftritt und gleichzeitig die Bedingung,

die mit dem Ereignis verknüpft ist, erfüllt ist.

Die Bedingung wird in eckigen Klammern am Ereignis

angegeben, wie Bild 8 zeigt. Sofern mit einem Ereignis

keine Bedingung verknüpft ist, wird direkt beim Auftreten

des Ereignisses der Zustand gewechselt.

Jeder Zustandsautomat benötigt ein Start-Ereignis,

um in den Anfangszustand zu gelangen. Bei diesem

Beispiel ist das Start-Ereignis E_Ein1. Alle Ereignisse

der Zustandsautomaten 1 und 2 sind identische Rechtecksignale

mit der Frequenz 2 Hz und werden durch

die beiden Pulse-Generatoren erzeugt.

Im oberen Drittel von Bild 7 wird die Bedingung Blinken

des Zustandsautomaten 1 erzeugt. Die Bedingung

ist aktiv, wenn der vorgeschaltete RS-Flip-Flop gesetzt

ist. Zum Setzen dieses RS-Flip-Flops werden die Signale

Not-Aus-Gerät, Error CAN-Motor und Taster Stop

ausgewertet.

Weist das Signal Not-Aus-Gerät eine negative Flanke

auf (im Normalbetrieb ist das Signal Not-Aus-Gerät ein

1-Signal) oder weist das Signal Error CAN-Motor eine

positive Flanke auf (im Normalbetrieb ist das Signal

Error CAN-Motor ein 0-Signal) oder liegt das Signal

Taster Stop nicht an (im Normalbetrieb ist das Signal

Taster Stop ein 1-Signal, da der Taster als Öffner konstruiert

ist), wird der RS-Flip-Flop gesetzt. Das vierte

Signal, das auf den oberen Oder-Baustein geführt ist,

erzeugt bei der Erstinbetriebnahme für eine Sekunde

ein 1-Signal. Dadurch wird ebenfalls der RS-Flip-Flop

gesetzt. Durch das Setzen wird die Bedingung Blinken

des Zustandsautomaten 1 aktiv geschaltet und der

Leuchtmelder des Taster Reset beginnt mit einer Frequenz

von zwei Hz zu blinken.

In den unteren zwei Dritteln von Bild 7 wird die Bedingung

Blinken des Zustandsautomaten 2 erzeugt. Die

Bedingung ist aktiv, wenn der vorgeschaltete RS-Flip-

Flop gesetzt ist.

Zum Setzen dieses RS-Flip-Flops muss zunächst

das Signal Taster Reset aktiv werden. Dies geschieht

durch das Betätigen des Tasters am Bedienpanel. Infolge

der Bedienung wird der Merker Merker Reset

aktiv, wodurch die Weiche und die Stopper 1 und 2

in die Grundstellung verfahren. Sind diese in der

Grundstellung, wird dies durch die Signale Weiche

Stellung Sortierband 1, Stopper 1 in Grundstellung

und Stopper 2 in Grundstellung signalisiert. Befindet

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BILD 7: Modellierung der

Funktionen zur Koordination

der Station Sortieren

über das Bedienpanel

mit Matlab/Simulink

u n d S t a t e fl o w

BILD 6: Petri-Netz der Funktionen zur Koordination

der Station Sortieren über das Bedienpanel

BILD 8: Modellierung der Funktionen

zur Koordination der Station Sortieren

über das Bedienpanel mit Stateflow

sich alles in der Grundstellung, wird der Merker Merker

Reset inaktiv, der RS-Flip-Flop vor dem Zustandsautomaten

2 wird gesetzt und der RS-Flip-Flop vor

dem Zustandsautomaten 1 wird zurückgesetzt. Durch

das Setzen wird die Bedingung Blinken des Zustandsautomaten

2 aktiv geschaltet und der Leuchtmelder

des Taster Start beginnt mit einer Frequenz von 2 Hz

zu blinken.

Die letzte Funktion der logischen Verknüpfungen aus

Bild 7 ist das Starten der Anlage. Blinkt der Leuchtmelder

des Taster Start und wird der Taster Start betätigt,

führt dies zum Setzen eines weiteren RS-Flip-Flops.

Infolge dessen wird der Merker Merker Anlage Start/

Stop aktiv und das Blinken des Leuchtmelders wird in

ein Dauerleuchten überführt.

Alle Ein- und Ausgangssignale des Modells in Bild 7

sind digitale Ein- und Ausgangssignale des M1-Systems

mit Ausnahme der Merker Merker Anlage Start/Stop

und Merker Reset. Diese beiden Merker sind Schnittstellen

zu weiteren Teilprozessen der Station Sortieren.

5.2 Automatisierung der Sortierbänder 1 und 2

Das in Bild 9 aufgeführte Petri-Netz gibt einen Überblick

über die Steuerung der Sortierbänder 1 und 2 und ist dem

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HAUPTBEITRAG | AALE

BILD 9: Petri-Netz zur

Steuerung der Sortierbänder 1 und 2

BILD 10: Modellierung mit

Matlab/Simulink und Stateflow

Petri-Netz mit den Funktionen zur Koordination der Station

Sortieren über das Bedienpanel, siehe Bild 6, untergeordnet.

Das bedeutet, wird in der Station am Bedienpanel

der Taster Stop oder der Schalter Not-Aus betätigt,

wird die Abfolge in diesem Petri-Netz unterbrochen und

in den Ausgangszustand Anlage Aus gesprungen.

Die Implementierung für die Steuerung der Sortierbänder

1 und 2 ist in Bild 10 und 11 dargestellt. Die

Ansteuerung der Sortierbänder erfolgt über den Zustandsautomat,

siehe Bild 11. Über den oberen Eingang

des Zustandsautomaten werden Ereignisse aus Simulink

übergeben. Da es keine Bedingungen gibt, erfolgt ein

Zustandswechsel direkt beim Auftreten eines Ereignisses.

Der Zustandsautomat benötigt ein Start-Ereignis,

um in den Anfangszustand Z_Aus zu gelangen. Bei diesem

Beispiel ist das Start-Ereignis E_Reset, das bei der

Betätigung des Taster Reset am Bedienpanel erzeugt

wird. Alle weiteren Ereignisse werden in den logischen

Verknüpfungen des Modells, siehe Bild 10, erzeugt.

In der Mitte von Bild 10 werden die Ereignisse

E_Start und E_Stop generiert. Wird der Taster Start am

Bedienpanel betätigt, führt dies zum Setzen des RS-

Flip-Flops. Daraus folgt unmittelbar das Ereigniss

E_Start, wodurch im Zustandsautomaten in den Zustand

Z_Band Ein gewechselt wird. Dieser Wechsel

führt zum Anlauf der Sortierbänder. Weist das Signal

Merker Anlage Start/Stop ein 0-Signal auf, wird der

RS-Flip-Flop zurückgesetzt. Dadurch wird das Ereignis

E_Stop generiert und im Zustandsautomat wird in den

Zustand Z_Aus gewechselt. In diesem Zustand sind die

Sortierbänder ausgeschaltet.

Im unteren Teil von Bild 10 werden die Ereignisse

E_BandAus und E_BandEin generiert. Dazu werden die

Signale Taster Start, Lichtschranke am Einlaufband

(S-1B1 in Bild 2), Lichtschranke vor Stopper 1 (S-2B2)

und Lichtschranke vor Stopper 2 (S-3B2) ausgewertet.

Weist eines dieser Signale ein 1-Signal auf, wird das

Ereignis E_BandEin aktiv. Befindet sich der Zustandsautomat

im Zustand Zustand Z_Band Aus kommt es

durch dieses Ereignis zum Wechsel in den Zustand

Z_Band Ein. Mit dem Auftreten des Ereignisses

E_BandEin wird gleichzeitig die Einschaltverzögerung

aktiv geschaltet. Ist die eingestellte Zeit der Einschaltverzögerung

abgelaufen, erzeugt dies das Ereignis

E_BandAus. Dieses Ereignis hat einen Wechsel des Zustandsautomaten

von Z_Band Ein nach Z_Band Aus

zur Folge. In diesem Zustand sind die Sortierbänder

ebenfalls ausgeschaltet.

Treten die Ereignisse E_BandAus und E_BandEin im

Zustand Z_Aus auf, hat dies keinen Zustandswechsel

zur Folge. Das Signal Merker Anlage Start/Stop kommt

aus dem Modell zur Steuerung der Anlage über das Bedienpanel,

siehe Bild 7. Alle weiteren Signale des Modells

in Bild 10 sind digitale Ein- und Ausgangssignale.

BILD 11: Modellierung mit Stateflow

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

Im Beitrag wurde gezeigt, dass mit dem M1-System von

Bachmann und deren Toolbox M-Target for Simulink

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für Matlab/Simulink ein durchgängiger modellbasierter

Entwurf möglich ist; abgesehen von den recht langen

Einarbeitungszeiten in eine solche Entwicklungsumgebung.

Von Nachteil ist, dass für den Entwurf keine

genormten Symbole für die Objekte zur Modellierung

zur Verfügung stehen, wodurch die Lesbarkeit

erschwert wird. Andererseits ergibt sich durch die

Vielfalt an Objekten in Matlab/Simulink ein Vorteil, da

für jedes Problem beliebige Modelle gebildet werden

können, um diese zu lösen.

Der modellbasierte Entwurf kann nahezu unabhängig

vom gewählten Zielsystem vorgenommen werden, was

ein großer Vorteil ist, weil – wenn alle Hersteller den

modellbasierten Entwurf unterstützen würden – der

Entwurf auf unterschiedliche Zielsysteme portiert werden

könnte. Die Konfiguration des Zielsystems muss

aber grundsätzlich mit der herstellerspezifischen Entwicklungsumgebung

vorgenommen werden.

Defizite beim modellbasierten Entwurf ergeben sich

aus dem Fehlen entsprechender Modellbibliotheken für

die unterschiedlichen Sensoren, Aktoren, sowie der

unterschiedlichen Kommunikationssysteme und herstellerspezifischen

Peripheriegeräten. Zur Zeit müssen

dafür noch eigene Modelle erstellt beziehungsweise mit

einem herstellerspezifischen Werkzeug der Entwurf

vorgenommen werden. In naher Zukunft wird es sicher

entsprechende Angebote geben.

MANUSKRIPTEINGANG

21.10.2013

REFERENZEN


[1] Stelter, P. S.: Substitution eines konventionellen

Automatisierungssystems auf der Basis eines

modellbasierten Entwurfs in einer Flaschenabfüllanlage.

Bachelorarbeit 2013

[2] Stelter, P. S., Büchau, B., Gröbe, G.: Substitution

eines konventionellen Automatisierungssystems auf

der Basis eines modellbasierten Entwurfs in einer

Flaschenabfüllanlage. In: Tagungsband AALE 2013,

S. 155-165. DIV, 2013

[3] MathWorks: http://www.mathworks.de

[4] Büchau, B., Gröbe, G.: Auswahl einer Infrastruktur

für den modellbasierten Entwurf in Forschung,

Entwicklung und Lehre, In: Tagungsband AALE 2011,

S. 317-324, Oldenbourg Industrieverlag, 2011

[5] Bachmann electronic GmbH: M-Target for Simulink ® ,

Systemübersicht, Bachmann electronic GmbH,

10.2012

[6] Siemens AG: Integration und Aufruf von Simulink

Subsystemen mit STEP 7 und WinAC ODK am

Beispiel einer PID Regelung WinAC S2O (Simulink

to ODK) Wizard STEP 7, WinAC ODK, Applikationsbeschreibung;

WinAC S2O Wizard, Version 1.0.1;

Beitrags-ID: 56969417; 2012

AUTOREN

PERCY STEFAN STELTER (B.Sc.)

(geb. 1987) ist Elektroingenieur.

Er hat bis 2013 Elektrotechnik an der

Fachhochschule Stralsund studiert.

Das im Beitrag vorgestellte Thema

wurde im Rahmen seiner Bachelor-

Thesis bearbeitet. Zur Zeit studiert er

Elektrotechnik im Master-Studiengang

an der Fachhochschule Stralsund.

Fachhochschule Stralsund,

Zur Schwedenschanze 15, D-18435 Stralsund,

Tel. +49 (0) 157 88 20 83 71,

E-Mail: percy.s.stelter@fh-stralsund.de

Prof. Dr.-Ing. BERND BÜCHAU

(geb. 1957) ist Elektroingenieur.

Er hat Elektrotechnik an der Fachhochschule

Hamburg und der Universität

Bremen studiert, wo er bei Prof.

Dr. D. Silber promovierte. Nach einer

Industrietätigkeit im Bereich Software-

Engineering für Automatisierungsund

medizinische Systeme ist er seit

1993 Professor für Prozessrechentechnik an der Fachhochschule

Stralsund. Seine Arbeitsschwerpunkte sind die

industriellen Kommunikationssysteme und der Entwurf

komplexer Automatisierungssysteme. Zur Zeit ist er Dekan

des Fachbereiches Elektrotechnik und Informatik der

Fachhochschule Stralsund und Sprecher des wissenschaftlichen

Beirats des VFAALE.



Tel. +49 (0) 3831 45 66 25,

E-Mail: bernd.buechau@fh-stralsund.de

Dipl.-Ing. (FH) GERALD GRÖBE

(geb. 1966) studierte Technische

Informatik an der Fachhochschule

Stralsund. Seit 1994 ist er Mitarbeiter

der Fachhochschule Stralsund und

in den Bereichen Automatisierungstechnik

und grafische Datenverarbeitung

tätig. Zur Zeit arbeitet er auf

den Gebieten der industriellen Kommunikationsysteme

und dem modellbasierten Entwurf von

Automatisierungssystemen.



Tel. +49 (0) 3831 45 66 42,

E-Mail: gerald.groebe@fh-stralsund.de

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IMPRESSUM / VORSCHAU

IMPRESSUM

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Die atp wurde 1959 als „Regelungstechnische

Praxis – rtp“ gegründet.

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Gemäß unserer Verpflichtung nach § 8

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und Beteiligungsverhältnisse am Verlag

wie folgt an:


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Alleiniger Gesellschafter des Verlages

ist die ACM-Unternehmensgruppe,

Ostring 13,

D-65205 Wiesbaden-Nordenstadt.

ISSN 2190-4111

DIE AUSGABE 9 / 2014 DER

ERSCHEINT AM 04.09.2014

MIT DEM SCHWERPUNKT

„ENERGIE- UND KOSTENEFFIZIENZ IN

UND DURCH AUTOMATION“

Sicherheitsgerichteter

Stellantrieb

Adaptives Steuerungsund

Regelungskonzept

eines autarken Kraftwerks

Anforderungs- und

Testfall-Codesign.

Formalisierung und

Testfall-Generierung

in der Praxis

Ein „smart system“

für die zukünftige

Ver- und Entsorgung von

Wasser und Abwasser

in Megacities

Aus aktuellem Anlass können sich die Themen

kurzfristig verändern.

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78

atp edition

7-8 / 2014

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der Automatisierungstechnik.

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und Fragen zu Ihrer Planung.

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Die Referenzklasse für die


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sichert ein strenges Peer-Review-Verfahren. Bezug

zur automatisierungstechnischen Praxis nehmen außerdem

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Prozessautomatisierung.

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