04.09.2014 Aufrufe

atp edition Wasser und Abwasser in Megastädten der Zukunft (Vorschau)

Erfolgreiche ePaper selbst erstellen

Machen Sie aus Ihren PDF Publikationen ein blätterbares Flipbook mit unserer einzigartigen Google optimierten e-Paper Software.

9 / 2014<br />

56. Jahrgang B3654<br />

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH<br />

Automatisierungstechnische Praxis<br />

<strong>Wasser</strong> <strong>und</strong> <strong>Abwasser</strong> <strong>in</strong><br />

<strong>Megastädten</strong> <strong>der</strong> <strong>Zukunft</strong> | 28<br />

Anfor<strong>der</strong>ungs- <strong>und</strong><br />

Testfall-Codesign | 38<br />

Stellantrieb mit sicheren<br />

Funktionen nach IEC EN 61508 | 48<br />

Adaptive Führung e<strong>in</strong>es<br />

Modulkraftwerks | 58


Erreichen Sie die Top-Entschei<strong>der</strong><br />

<strong>der</strong> Automatisierungstechnik.<br />

Sprechen Sie uns an wegen Anzeigenbuchungen<br />

<strong>und</strong> Fragen zu Ihrer Planung.<br />

Inge Spoerel: Telefon +49 (0) 89 203 53 66-22<br />

E-Mail: spoerel@di-verlag.de


EDITORIAL<br />

Modulare Automation<br />

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

Prozess<strong>in</strong>tensivierung, Modularisierung, Plug-and-Produce s<strong>in</strong>d Schlagworte<br />

für Ansätze, <strong>in</strong> <strong>der</strong> Prozess<strong>in</strong>dustrie die konzeptionelle Lücke<br />

zwischen <strong>der</strong> kont<strong>in</strong>uierlichen <strong>und</strong> hocheffizienten Massenproduktion von<br />

Ausgangsstoffen <strong>und</strong> entsprechend <strong>der</strong> spezifischen Anfor<strong>der</strong>ungen e<strong>in</strong>zelner<br />

K<strong>und</strong>en funktionalisierter Endprodukte zu schließen. Bei letzteren werden<br />

die Anfor<strong>der</strong>ungen an die Flexibilität <strong>der</strong> Produktion <strong>und</strong> die Anpassung<br />

an die Volatilität <strong>der</strong> Märkte heute durch e<strong>in</strong>e Chargenfahrweise erreicht,<br />

jedoch häufig mit e<strong>in</strong>er deutlich ger<strong>in</strong>geren Raum-Zeit-Ausbeute <strong>und</strong> Auslastung<br />

des Equipments als e<strong>in</strong> äquivalenter, kont<strong>in</strong>uierlich geführter Produktionsprozess.<br />

Die Architekturen aktueller Prozessleitsysteme s<strong>in</strong>d darauf angelegt, mittlere<br />

bis große Anlagen skalierbar <strong>und</strong> effizient automatisieren zu können. Sie<br />

s<strong>in</strong>d entsprechend modular aufgebaut <strong>und</strong> erlauben zumeist auch e<strong>in</strong>en modularen<br />

Aufbau <strong>der</strong> Automatisierungslogik. Die Zerlegung <strong>in</strong> wie<strong>der</strong>verwendbare<br />

E<strong>in</strong>heiten ist Voraussetzung <strong>und</strong> geübte Praxis für das Massendaten-Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g.<br />

Lei<strong>der</strong> funktioniert das heute im Allgeme<strong>in</strong>en nur dann<br />

effizient, solange man <strong>in</strong>nerhalb <strong>der</strong> homogenen Welt e<strong>in</strong>es Leitsystems bleibt.<br />

Die nahtlose Integration e<strong>in</strong>es Prozessmoduls als E<strong>in</strong>heit aus Prozesstechnik<br />

<strong>und</strong> Automationssystem <strong>in</strong> heutige Leitsysteme erfor<strong>der</strong>t h<strong>in</strong>gegen erhebliche<br />

manuelle Aufwände. Da es hierfür noch ke<strong>in</strong>e standardisierten<br />

Beschreibungsmittel gibt, müssen im Extremfall die Kommunikationsstrukturen<br />

zur Integration des Informationshaushalts e<strong>in</strong>es Moduls <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e übergeordnete,<br />

echtzeitfähige Prozessführungsebene manuell Bit für Bit angelegt<br />

werden. Hier beschleunigen f<strong>in</strong>dige Ingenieure ihre Arbeit häufig mit e<strong>in</strong>er<br />

bekannten Tabellenkalkulationssoftware. Für e<strong>in</strong>e zuverlässige wie<strong>der</strong>holbare<br />

Automation <strong>der</strong> Automation <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er herstellerübergreifend def<strong>in</strong>ierten<br />

Plug-and-Produce-Architektur, die beispielsweise erlaubt, e<strong>in</strong> defektes Prozessmodul<br />

<strong>in</strong> 10 bis 30 M<strong>in</strong>uten auszutauschen o<strong>der</strong> e<strong>in</strong> neues Modul <strong>in</strong> <strong>in</strong><br />

weniger als e<strong>in</strong>er St<strong>und</strong>e zu <strong>in</strong>tegrieren <strong>und</strong> <strong>in</strong> Betrieb zu nehmen s<strong>in</strong>d jedoch<br />

noch erhebliche konzeptionelle Anstrengungen notwendig.<br />

Erste geme<strong>in</strong>same Schritte von Herstellern <strong>und</strong> Anwen<strong>der</strong>n s<strong>in</strong>d bereits<br />

zu erkennen. So arbeitet <strong>der</strong> ZVEI-Arbeitskreis Modulare Automation als<br />

Spiegelarbeitskreises des NAMUR AK 1.12 e<strong>in</strong>e geme<strong>in</strong>same Antwort auf<br />

die NE 148. Der GMA-Fachausschuss 6.16 setzt die Anfor<strong>der</strong>ungen <strong>der</strong><br />

NE 150 um, um bidirektional den <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em PLT-CAE-System abgelegten<br />

Planungsstand <strong>und</strong> den im Leitsystem h<strong>in</strong>terlegten Ist-Stand auf e<strong>in</strong>er Anlage<br />

abzustimmen. Der GMA FA 5.16 beschäftigt sich nach Fertigstellung<br />

des Blatts VDI/VDE 2657-2, Vorgehensmodelle für den Middleware-Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Prozess,<br />

mit Architekturen für Automatisierungsysteme <strong>und</strong> <strong>der</strong>en<br />

Eignung, Anfor<strong>der</strong>ungen an <strong>in</strong>tegriertes Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g, plug-and-produce,<br />

funktionale Sicherheit <strong>und</strong> Informationssicherheit zu erfüllen.<br />

Diese Bandbreite <strong>der</strong> Anfor<strong>der</strong>ungen an Automation <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Umfeld, das<br />

zunehmend von Kommunikation <strong>und</strong> Integration <strong>in</strong> Wertschöpfungsnetze<br />

geprägt ist spiegelt sich auch <strong>in</strong> den für diese Ausgabe <strong>der</strong> <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> ausgewählten<br />

Hauptbeiträgen. Viel Vergnügen bei <strong>der</strong> Lektüre.<br />

Signum<br />

LEON URBAS,<br />

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

Professor für Prozessleittechnik<br />

an <strong>der</strong> Technischen Universität<br />

Dresden<br />

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

9 / 2014<br />

3


INHALT 9 / 2014<br />

VERBAND<br />

6 | Automatisierung im Fokus von Industrie 4.0 –<br />

Call for Papers zur 12. AALE-Konferenz <strong>in</strong> Jena<br />

VDE lobt Preis für junge Ingenieur<strong>in</strong>nen aus<br />

FORSCHUNG<br />

8 | RoboCup <strong>in</strong> Brasilien: Teams <strong>der</strong> TU Darmstadt<br />

<strong>und</strong> FH Aachen kehren als Sieger zurück<br />

Call for <strong>atp</strong> experts: Digitale Fabrik<br />

9 | Humanoi<strong>der</strong> Roboter mit F<strong>in</strong>gerspitzengefühl<br />

BRANCHE<br />

10 | GMA-Report: CPS-basierte Automation ist die Gr<strong>und</strong>lage,<br />

um Nutzen aus Industrie 4.0 zu ziehen<br />

Call for Papers für AMA-Kongresse<br />

11 | Workshop IT Security: Lösungen für die Praxis<br />

Neuer Studiengang zur Cybersicherheit<br />

RUBRIKEN<br />

3 | Editorial<br />

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

4<br />

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

9 / 2014


PRAXIS<br />

12 | Herausfor<strong>der</strong>ung Masch<strong>in</strong>enrichtl<strong>in</strong>ie:<br />

Internes Managementsystem<br />

br<strong>in</strong>gt Effizienz <strong>und</strong> Sicherheit<br />

16 | Prädiktive Wartung: Analyse von<br />

Echtzeit- <strong>und</strong> historischen Daten kann<br />

Ausfälle verh<strong>in</strong><strong>der</strong>n<br />

20 | Sensible Roboterhaut erlaubt sichere<br />

Zusammenarbeit von Mensch <strong>und</strong> Masch<strong>in</strong>e<br />

22 | Schweißstromquelle, Werkstückpositionierer<br />

<strong>und</strong> Roboter stimmen<br />

ihre Aktionen aufe<strong>in</strong>an<strong>der</strong> ab<br />

24 | Maßnahmen auf dem Weg zur<br />

energieeffizienten Fabrik <strong>der</strong> <strong>Zukunft</strong><br />

Produkte,<br />

Systeme<br />

<strong>und</strong> Service<br />

für die<br />

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

Natürlich.<br />

HAUPTBEITRÄGE<br />

28 | <strong>Wasser</strong> <strong>und</strong> <strong>Abwasser</strong> <strong>in</strong><br />

<strong>Megastädten</strong> <strong>der</strong> <strong>Zukunft</strong><br />

A. GAHR, C. WOLF UND P. KERN<br />

38 | Anfor<strong>der</strong>ungs- <strong>und</strong> Testfall-Codesign<br />

S. RÖSCH, S. FELDMANN, D. FÖRSTER UND B. VOGEL-HEUSER<br />

48 | Stellantrieb mit sicheren<br />

Funktionen nach IEC EN 61508<br />

P. MALUS, W. THOMANN UND K.-H. KAYSER<br />

58 | Adaptive Führung<br />

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

C. KOLBE<br />

Der PostionMaster EDP300 überzeugt<br />

durch hohe Luftleistung von 50 kg/h bei<br />

10 bar, Diagnosefähigkeit nach Namur<br />

<strong>und</strong> Überdruckfestigkeit. Mit den<br />

Zulassungen für den Betrieb <strong>in</strong> Ex-Zone 1<br />

<strong>und</strong> SIL2 ermöglicht <strong>der</strong> EDP300 e<strong>in</strong>e<br />

hohe Anlagensicherheit. Durch die<br />

mechanische Stellungsanzeige ist<br />

die Erfassung <strong>der</strong> Ventilstellung auch<br />

ohne Stromversorgung möglich.<br />

Zuverlässiges Regelverhalten, Flexibilität<br />

<strong>und</strong> se<strong>in</strong>e kompakte Bauform zeichnen<br />

den EDP300 aus.<br />

www.abb.de/aktorik<br />

Wussten Sie, dass Ihnen ABB<br />

neben dem umfassenden Portfolio<br />

für die Instrumentierung ebenso<br />

herausragende Produkte <strong>und</strong><br />

Lösungen für die Analysentechnik,<br />

mo<strong>der</strong>nste Leitsysteme sowie<br />

erstklassigen Service bietet?<br />

Lesen Sie mehr unter:<br />

www.abb.de/<br />

prozessautomatisierung<br />

ABB Automation Products GmbH<br />

Tel.: 0800 111 44 11<br />

Fax: 0800 111 44 22<br />

vertrieb.messtechnik-produkte@de.abb.com


VERBAND<br />

Automatisierung im Fokus von Industrie 4.0 –<br />

Call for Papers zur 12. AALE-Konferenz <strong>in</strong> Jena<br />

AALE 2014 AN DER OTH REGENSBURG: E<strong>in</strong>e konferenzbegleitende<br />

Ausstellung wird auch 2015 <strong>in</strong> Jena die Möglichkeit<br />

bieten, aktuelle Produktentwicklungen auf dem Gebiet <strong>der</strong><br />

Automatisierungstechnik kennenzulernen. Bild: OTH Regensburg<br />

Automatisierung im Fokus von Industrie 4.0 lautet das<br />

Leitthema <strong>der</strong> 12. Konferenz für Angewandte Automatisierungstechnik<br />

<strong>in</strong> Lehre <strong>und</strong> Entwicklung (AALE).<br />

Sie f<strong>in</strong>det am 5. <strong>und</strong> 6. März 2015 <strong>in</strong> Jena statt. Die AALE<br />

2015 wird vom Fachbereich Elektrotechnik <strong>und</strong> Informationstechnik<br />

<strong>der</strong> Ernst-Abbe-Fachhochschule Jena <strong>in</strong><br />

Kooperation mit <strong>der</strong> Jenaer Akademie für Lebenslanges<br />

Lernen organisiert <strong>und</strong> durch VFAALE, den Vere<strong>in</strong> <strong>der</strong><br />

Fre<strong>und</strong>e <strong>und</strong> För<strong>der</strong>er <strong>der</strong> AALE unterstützt. Pr<strong>in</strong>tmedienpartner<br />

ist <strong>der</strong> DIV Deutsche Industrieverlag, <strong>in</strong> dem<br />

auch die Tagungsbände AALE-Konferenzen ersche<strong>in</strong>en.<br />

Die Veranstalter rufen zur E<strong>in</strong>reichung von Beiträgen<br />

auf. Gewünscht s<strong>in</strong>d Vorträge über Trends <strong>in</strong> <strong>der</strong> Auto-<br />

matisierungstechnik, Forschungs- <strong>und</strong> Entwicklungsarbeiten,<br />

Kooperationen zwischen Hochschulen <strong>und</strong><br />

Industrie sowie Lehre <strong>und</strong> Ausbildung, Didaktik o<strong>der</strong><br />

MINT-Projekte. Die Beiträge können aus allen Gebieten<br />

mit Bezug zur Automatisierungstechnik stammen.<br />

Wichtig ist den Veranstaltern: Die AALE för<strong>der</strong>t <strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e<br />

Hochschul-Industrie-Netzwerke. Die nicht von<br />

Hochschulen e<strong>in</strong>gereichten Beiträge sollten deshalb<br />

m<strong>in</strong>destens e<strong>in</strong>en Hochschulangehörigen als Autor aufweisen.<br />

Die Eckdaten für den Call for Papers: Abstracts<br />

können e<strong>in</strong>gereicht werden bis zum 6. Oktober. Bis 3.<br />

November werden die E<strong>in</strong>reicher über e<strong>in</strong>e Annahme<br />

benachrichtigt. Die druckfertigen Beiträge müssen bis<br />

zum 1. Dezember vorliegen. Der Abstract sollte etwa<br />

1200 Zeichen, maximal aber zwei Seiten umfassen. Für<br />

jeden Vortrag s<strong>in</strong>d 15 M<strong>in</strong>uten vorgesehen. Die E<strong>in</strong>reichung<br />

<strong>der</strong> Abstracts zu den Beiträgen erfolgt <strong>in</strong> elektronischer<br />

Form unter www.conftool.net/aale2015.<br />

Die AALE hat sich zu e<strong>in</strong>em bewährten Forum für<br />

Hochschulprofessoren <strong>und</strong> -<strong>in</strong>nen sowie Vertreter<br />

<strong>und</strong> Vertreter<strong>in</strong>nen aus Wirtschaft <strong>und</strong> Industrie entwickelt<br />

<strong>und</strong> dient zum Erfahrungsaustausch über<br />

mo<strong>der</strong>ne Konzepte, Entwicklungen <strong>und</strong> die Lehre <strong>in</strong><br />

<strong>der</strong> Automatisierungstechnik. Die konferenzbegleitende<br />

Ausstellung namhafter Firmen bietet die Möglichkeit<br />

aktuelle Produktentwicklungen auf dem Gebiet<br />

<strong>der</strong> Automatisierungstechnik kennen zu lernen.<br />

Unternehmen, die die AALE unterstützen möchten,<br />

f<strong>in</strong>den Informationen über Sponsor<strong>in</strong>gpakete unter<br />

http://www.vfaale.de/<strong>in</strong>dex.php/pages/news. (gz)<br />

ORGANISATIONSBÜRO DER AALE 2015,<br />

ERNST-ABBE-FACHHOCHSCHULE JENA,<br />

Carl-Zeiss-Promenade 2, D-07745 Jena,<br />

Tel. +49 (0) 3641 20 51 08,<br />

Internet: www.fh-jena.de/aale2015<br />

VDE lobt Preis für junge Ingenieur<strong>in</strong>nen aus<br />

Der VDE <strong>und</strong> die Dr. Wilhelmy-Stiftung haben sich <strong>in</strong><br />

e<strong>in</strong>er Kooperationsvere<strong>in</strong>barung darauf verständigt,<br />

künftig geme<strong>in</strong>sam herausragende Dissertationen <strong>der</strong> Elektrotechnik<br />

auszuzeichnen. Der neu <strong>in</strong>s Leben gerufene<br />

Elektrotechnik-Preis soll jedes Jahr an bis zu drei junge<br />

Ingenieur<strong>in</strong>nen <strong>der</strong> Elektro- <strong>und</strong> Informationstechnik verliehen<br />

werden. Die Auszeichnung ist mit je 3000 Euro<br />

dotiert <strong>und</strong> soll junge Forscher<strong>in</strong>nen zu e<strong>in</strong>er wissenschaftlichen<br />

Laufbahn motivieren. Mit dem neuen Elektrotechnik-Preis<br />

für Nachwuchswissenschaftler will <strong>der</strong><br />

VDE junge Talente för<strong>der</strong>n, um den Fachkräftebedarf<br />

Deutschlands als Technikstandort langfristig zu befriedigen<br />

zu können. Experten gehen davon aus, dass die Nachfrage<br />

an gut ausgebildeten Elektro<strong>in</strong>genieur<strong>in</strong>nen <strong>und</strong><br />

-<strong>in</strong>genieuren <strong>in</strong> den nächsten Jahren weiter ansteigen wird.<br />

Voraussetzung für die Auszeichnung mit dem neuen<br />

Elektrotechnik-Preis s<strong>in</strong>d e<strong>in</strong> herausragen<strong>der</strong> Promoti-<br />

onsabschluss <strong>und</strong> e<strong>in</strong>e hohe Bedeutung <strong>der</strong> Dissertation<br />

für die Wissenschaft <strong>und</strong> den Elektrotechnik-Standort<br />

Deutschland. Bei Abgabe <strong>der</strong> Dissertation dürfen die<br />

Ingenieur<strong>in</strong>nen nicht älter als 35 Jahre gewesen se<strong>in</strong>.<br />

Berücksichtigt werden ausschließlich Arbeiten aus dem<br />

deutschsprachigen Raum. Die Preisverleihung wird e<strong>in</strong>mal<br />

jährlich im Rahmen e<strong>in</strong>er repräsentativen VDE-<br />

Veranstaltung stattf<strong>in</strong>den – die Auswahl <strong>der</strong> Preisträger<strong>in</strong>nen<br />

erfolgt durch e<strong>in</strong>e hochkarätige Jury des VDE.<br />

Bewerbungen können bis zum 31. Januar 2015 e<strong>in</strong>gereicht<br />

werden. Weitere Informationen zum Preis s<strong>in</strong>d zu<br />

f<strong>in</strong>den unter www.vde.com/<strong>in</strong>genieur<strong>in</strong>nen. (gz)<br />

VDE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK<br />

INFORMATIONSTECHNIK E.V.,<br />

Stresemannallee 15, D-60596 Frankfurt am Ma<strong>in</strong>,<br />

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

6<br />

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

9 / 2014


STROMVERSORGUNG MIT SYSTEM<br />

Leistungsstark <strong>und</strong> effizient<br />

EPSITRON ® COMPACT Power<br />

EPSITRON ® ECO Power<br />

EPSITRON ® CLASSIC Power<br />

EPSITRON ® PRO Power<br />

Die Kompakten –<br />

Die Wirtschaftlichen –<br />

Die Robusten –<br />

Die Leistungsstarken –<br />

im flachen Reihen-<br />

zur Standardversorgung<br />

DC 12 V, 24 V, 48 V<br />

mit TopBoost, PowerBoost<br />

e<strong>in</strong>baugehäuse<br />

mit DC 24 V<br />

<strong>und</strong> optionalem L<strong>in</strong>eMonitor<br />

Individuell ergänzbar mit unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV),<br />

Puffermodulen, Red<strong>und</strong>anzmodulen <strong>und</strong> elektronischen Schutzschaltern.<br />

www.wago.com/EPSITRON


FORSCHUNG<br />

RoboCup <strong>in</strong> Brasilien: Teams <strong>der</strong> TU Darmstadt<br />

<strong>und</strong> FH Aachen kehren als Sieger zurück<br />

DAS TEAM<br />

UM HECTOR:<br />

Studierende,<br />

Doktorand<strong>in</strong>nen<br />

<strong>und</strong> Doktoranden<br />

holten mit ihrem<br />

Rettungsroboter<br />

bei <strong>der</strong> Roboter-<br />

WM <strong>in</strong> Argent<strong>in</strong>ien<br />

die meisten<br />

Punkte.<br />

Bild: TU Darmstadt<br />

Bei <strong>der</strong> RoboCup-Weltmeisterschaft <strong>in</strong> Brasilien<br />

konnten zwei deutsche Hochschulen Siege <strong>in</strong> den<br />

Hauptwettbewerben err<strong>in</strong>gen. Bei den Rettungsrobotern<br />

kam e<strong>in</strong> Team <strong>der</strong> TU Darmstadt mit „Hector“<br />

auf den ersten Platz. Im Wettbewerb <strong>der</strong> Logistikroboter<br />

gewann die Mannschaft <strong>der</strong> FH Aachen mit ihrer Entwicklung<br />

„Carologistics“. Das Darmstädter Team Hector<br />

konnte <strong>in</strong> <strong>der</strong> RoboCup Rescue-League erstmals den<br />

Weltmeistertitel err<strong>in</strong>gen. Außerdem gewann des Team<br />

erneut den Preis für den <strong>in</strong>telligentesten Roboter (Best<br />

<strong>in</strong> Class Autonomy Award).<br />

Beim RoboCup Rescue-Wettbewerb versuchen die<br />

Teams, simulierte Katastrophenszenarien zu erk<strong>und</strong>en<br />

<strong>und</strong> jeweils so viele Punkte wie möglich zu erreichen.<br />

Die Roboter operieren <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Szenario, wie es sich<br />

beispielsweise nach e<strong>in</strong>em Erdbeben o<strong>der</strong> e<strong>in</strong>em Tsunami<br />

darstellt. Mit ihren vielfältigen Sensoren – Video-<br />

Kameras, Infrarot-Sensoren, 3D-Kameras, Laser-Scanner<br />

– suchen die Roboter möglichst autonom versteckte Opfer<br />

<strong>und</strong> Objekte.<br />

Team Hector legt den Forschungsfokus auf die Autonomie<br />

<strong>der</strong> Roboter, also die Fähigkeit, Katastrophengebiete<br />

selbständig vollständig erk<strong>und</strong>en zu können. Dies<br />

ist bei realen E<strong>in</strong>sätzen wichtig, da Funkverb<strong>in</strong>dungen<br />

zwischen Rettungskräften <strong>und</strong> Robotern, die im Gebäude<strong>in</strong>neren<br />

operieren, abreißen können. Durch die hohe<br />

Zuverlässigkeit <strong>der</strong> Autonomiefunktionen war es dem<br />

Team möglich, vom ersten Tag an hohe Punktzahlen zu<br />

erzielen, da die automatische Erkennung <strong>und</strong> Kartierung<br />

von simulierten Opfern hoch bewertet wird.<br />

Team Hector hat nun viele Kernkomponenten se<strong>in</strong>er<br />

Forschung als frei verfügbare (Open Source) Software<br />

veröffentlicht, um die Entwicklung autonomer Rettungsrobotersysteme<br />

zu beschleunigen <strong>und</strong> den realen E<strong>in</strong>satz<br />

zur Rettung von Menschenleben voranzutreiben.<br />

Das Team Hector des DFG-Graduiertenkollegs 1362<br />

„Cooperative, adaptive and responsive monitor<strong>in</strong>g <strong>in</strong><br />

mixed mode environments“ besteht aus Studierenden,<br />

Doktorand<strong>in</strong>nen <strong>und</strong> Doktoranden des Fachgebiets Simulation,<br />

Systemoptimierung <strong>und</strong> Robotik, Fachbereich<br />

Informatik, <strong>und</strong> des Instituts für Flugsysteme <strong>und</strong> Regelungstechnik,<br />

Fachbereich Masch<strong>in</strong>enbau. (gz)<br />

TECHNISCHE UNIVERSITÄT DARMSTADT,<br />

Karol<strong>in</strong>enplatz 5, D-64289 Darmstadt,<br />

Tel. +49 (0) 6151 160,<br />

Internet: www.tu-darmstadt.de<br />

Call for <strong>atp</strong> experts: Digitale Fabrik<br />

IN AUSGABE 57(3) DER ATP EDITION im<br />

März 2015 diskutiert die <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> das<br />

Thema digitale Fabrik. Die digitale Fabrik<br />

ist nach VDI 4499-1 <strong>der</strong> Oberbegriff<br />

für e<strong>in</strong> umfassendes Netzwerk<br />

von digitalen Beschreibungsmitteln,<br />

Methoden <strong>und</strong> Werkzeugen, die durch<br />

e<strong>in</strong> durchgängiges Datenmanagement<br />

<strong>in</strong>tegriert werden. Das effektive Management<br />

<strong>der</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> digitalen Anlage<br />

abgelegten Information ist e<strong>in</strong>e <strong>der</strong><br />

Gr<strong>und</strong>lagen für die Realisierung von<br />

Industrie-4.0-Konzepten. Ausgabe<br />

57(3) diskutiert Herausfor<strong>der</strong>ungen<br />

<strong>und</strong> stellt aktuelle Forschungs- <strong>und</strong><br />

Entwicklungsergebnisse vor. Ihre Beiträge<br />

berichten idealerweise über<br />

erste Erfahrungen mit prototypischen<br />

Implementierungen o<strong>der</strong> <strong>der</strong> Überführung<br />

<strong>in</strong> Produkte. Wir bitten Sie, bis<br />

zum 28. Oktober 2014 zu diesem Themenschwerpunkt<br />

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

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

Hauptbeitrag per E-Mail<br />

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

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

für Fach- <strong>und</strong> Führungskräfte<br />

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

In den Hauptbeiträgen werden<br />

die Themen mit hohem wissenschaftlichem<br />

<strong>und</strong> technischem Anspruch <strong>und</strong><br />

vergleichsweise abstrakt dargestellt.<br />

Im Journalteil werden praxisnahe Erfahrungen<br />

von Anwen<strong>der</strong>n mit neuen<br />

Technologien, Prozessen o<strong>der</strong> Produkten<br />

beschrieben.<br />

Alle Beiträge werden von e<strong>in</strong>em Fachgremium<br />

begutachtet. Sollten Sie sich<br />

selbst aktiv an dem Begutachtungsprozess<br />

beteiligen wollen, bitten wir um<br />

kurze Rückmeldung. Für weitere Rückfragen<br />

stehen wir Ihnen selbstverständlich<br />

gerne zur Verfügung.<br />

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

Leon Urbas, Gerd Scholz<br />

CALL FOR<br />

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

Thema: Digitale Fabrik<br />

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

Term<strong>in</strong>: 28. Oktober 2014<br />

8<br />

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

9 / 2014


Humanoi<strong>der</strong> Roboter<br />

mit F<strong>in</strong>gerspitzengefühl<br />

1,30 METER GROSS UND 50 KILOGRAMM<br />

SCHWER: Die neueste Generation des<br />

Roboters Asimo kann auch den Inhalt e<strong>in</strong>er<br />

Flasche <strong>in</strong> Becher füllen. Bild: Honda<br />

Asimo kann jetzt sogar Flaschen öffnen, Gläser<br />

befüllen, Gebärdensprache „sprechen“, Gesichter<br />

erkennen <strong>und</strong> Menschen ausweichen. Dieser Roboter<br />

von Honda ist laut dem Hersteller <strong>der</strong> fortschrittlichste<br />

humanoide Roboter <strong>der</strong> Welt. Asimo steht für<br />

Advanced Step <strong>in</strong> Innovative Mobility. Seit 14 Jahren<br />

präsentiert Honda immer wie<strong>der</strong> Fortentwicklungen<br />

des Roboters. Seite 2011 spricht Honda nicht mehr<br />

von e<strong>in</strong>er automatischen, son<strong>der</strong>n von e<strong>in</strong>er autonomen<br />

Masch<strong>in</strong>e, da sie ihre Umwelt immer besser<br />

erkennt <strong>und</strong> auf dieser Basis Entscheidungen trifft.<br />

Die neueste Version, die das Unternehmen kürzlich<br />

<strong>in</strong> Brüssel vorstellte, kann beispielsweise Gesichter<br />

<strong>und</strong> Stimmen mehrerer Personen erkennen,<br />

die gleichzeitig sprechen <strong>und</strong> das eigene Verhalten<br />

<strong>in</strong> Echtzeit <strong>der</strong> Umgebung anpassen. So ist Asimo<br />

nun beispielsweise <strong>in</strong> <strong>der</strong> Lage vorherzusagen, <strong>in</strong><br />

welche Richtung e<strong>in</strong>e Person gehen wird <strong>und</strong> kann<br />

e<strong>in</strong>en an<strong>der</strong>en Weg wählen, um e<strong>in</strong>en Zusammenstoß<br />

zu vermeiden.<br />

Zudem ist die neueste Asimo-Version schneller.<br />

Asimo läuft nun mit bis zu neun Kilometer pro St<strong>und</strong>e<br />

um r<strong>und</strong> 50 Prozent schneller als se<strong>in</strong> Vorgänger.<br />

Der Roboter kann auch rückwärts laufen, Treppen<br />

h<strong>in</strong>auf- <strong>und</strong> h<strong>in</strong>absteigen, spr<strong>in</strong>gen <strong>und</strong> kont<strong>in</strong>uierlich<br />

auf e<strong>in</strong>em Be<strong>in</strong> hüpfen. Se<strong>in</strong>e mehrf<strong>in</strong>grigen Hände<br />

können dank mo<strong>der</strong>ner Objekterkennungstechnologie<br />

komplexe Tätigkeiten durchführen. (gz)<br />

HONDA MOTOR EUROPE LTD.,<br />

470 London Road,<br />

Slough, Berkshire, SL3 8QY, United K<strong>in</strong>gdom,<br />

Tel: +44 (0) 1753 59 05 90,<br />

Internet: www.hondanews.eu/en


BRANCHE<br />

GMA-Report: CPS-basierte Automation ist die<br />

Gr<strong>und</strong>lage, um Nutzen aus Industrie 4.0 zu ziehen<br />

reiche e<strong>in</strong>teilen. Hier empfehlen wir als GMA, <strong>in</strong> den<br />

nächsten Jahren Forschung zu för<strong>der</strong>n.“<br />

DER NEUE<br />

GMA-STATUS-<br />

REPORT zu<br />

Industrie 4.0 zeigt<br />

den Forschungsbedarf<br />

bei<br />

CPS-basierter<br />

Automation.<br />

Bild: SmartFactoryKL<br />

Mit dem neuen Statusreport „Industrie 4.0 – CPS-basierte<br />

Automation“ hat die VDI/VDE-Gesellschaft<br />

Mess- <strong>und</strong> Automatisierungstechnik (GMA) herausgearbeitet,<br />

welche konkreten Forschungsaufgaben nun zu<br />

bewältigen s<strong>in</strong>d. In dem Papier „wird deutlich, dass CPSbasierte<br />

Automation die Gr<strong>und</strong>lage ist, um konkreten<br />

Nutzen aus Industrie 4.0 zu ziehen“, betont die neue GMA-<br />

Geschäftsführer<strong>in</strong> Dr. Dagmar Dirzus. Der Nutzen beg<strong>in</strong>ne<br />

mit <strong>der</strong> Option, alle benötigten Informationen für e<strong>in</strong><br />

durchgängiges Systems-Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g bereitzustellen.<br />

CPS-basierte Automation bietet laut Dirzus die Voraussetzung<br />

für Diagnose <strong>und</strong> Wartung von Anlagen<br />

sowie zur Flexibilisierung <strong>der</strong> Produktion. Großes Potenzial<br />

liege dar<strong>in</strong>, Benutzerschnittstellen e<strong>in</strong>zurichten,<br />

um Transparenz <strong>und</strong> damit Verständnis von Anlagen<br />

zu jedem Z eitpunkt zu ermöglichen. Um diese<br />

Chancen zu nutzen, müssten die notwendigen Forschungsbedarfe<br />

konkretisiert werden. Aufbauend auf<br />

dem Whitepaper <strong>der</strong> Plattform Industrie 4.0 von April<br />

2014, wurden daher anhand von drei Usecases, <strong>in</strong> denen<br />

existierende Anlagen mit CPS-Technologie ausgestattet<br />

wurden, die entstehenden Anfor<strong>der</strong>ungen an<br />

zielgerichtete Forschung analysiert. „Das Ergebnis“, so<br />

Dirzus, „lässt sich auf vier f<strong>und</strong>amental wichtige Be-<br />

1 | Statt Software komplett neu zu entwickeln solle<br />

bislang für Vernetzung erfolgreich e<strong>in</strong>gesetzte<br />

Unternehmens-IT fit gemacht werden, um die Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

<strong>der</strong> <strong>in</strong>dustriellen Produktion erfüllen<br />

zu können. Dazu zählen Echtzeitfähigkeit, Gewährleistung<br />

funktionaler Sicherheit sowie Informationssicherheit.<br />

2 | Auch Methoden <strong>der</strong> Automatisierungstechnik<br />

müssten angepasst werden. So müssten beispielsweise<br />

systematische Ansätze gef<strong>und</strong>en werden,<br />

um die Steuerrezepterstellung <strong>in</strong> externe Cloud-<br />

Dienste auszulagern o<strong>der</strong> um komplexe Optimierungsaufgaben<br />

durchzuführen. Denn hier liege<br />

das große, wirtschaftlich bedeutende Potenzial <strong>der</strong><br />

Effizienzsteigerung durch Industrie 4.0.<br />

3 | Um alle Vorteile e<strong>in</strong>er flexiblen Produktion zu nutzen<br />

<strong>und</strong> physische wie virtuelle Modelle während<br />

<strong>der</strong> Laufzeit <strong>der</strong> Anlagen austauschen, abschalten<br />

o<strong>der</strong> ersetzen zu können, müssten flexibel anpassbare<br />

Schnittstellen e<strong>in</strong>e reibungslose Integration<br />

<strong>und</strong> e<strong>in</strong>e sichere Systemfunktionalität gewährleisten.<br />

Trotz Flexibilität <strong>und</strong> Komplexität <strong>der</strong> Produktionssysteme<br />

müssten geeignete Benutzerschnittstellen<br />

garantieren, dass das Verständnis<br />

für das Systemverhalten erhalten bleibt.<br />

4 | Schließlich müssten Forschungen erfolgen, um die<br />

zur Verfügung stehenden Informationen über die<br />

gesamte Laufzeit <strong>der</strong> Produkte <strong>und</strong> Anlagen für e<strong>in</strong><br />

durchgängiges System-Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g auszunutzen<br />

<strong>und</strong> die Daten <strong>und</strong> Modelleigenschaften zwischen<br />

den Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Schritten auszutauschen. (gz)<br />

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

AUTOMATISIERUNGSTECHNIK (GMA)<br />

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

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

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

Call for Papers für AMA-Kongresse<br />

Der AMA Verband für Sensorik <strong>und</strong> Messtechnik hat<br />

den Call for Papers für die beiden AMA-Kongresse<br />

Sensor <strong>und</strong> IRS² im Jahr 2015 gestartet. Beide Tagungen<br />

f<strong>in</strong>den parallel zur Messe Sensor+Test vom 19. bis 21. Mai<br />

<strong>in</strong> Nürnberg statt. Abstracts <strong>der</strong> Vorträge o<strong>der</strong> Poster können<br />

e<strong>in</strong>gereicht werden bis zum 17. Oktober 2014.<br />

Der Sensor-Kongress fokussiert auf die Entwicklung von<br />

Sensoren, Aktoren <strong>und</strong> Mess- <strong>und</strong> Prüftechnik. IRS² präsentiert<br />

aktuellste Entwicklungen von Infrarot-Sensoren<br />

<strong>und</strong> Systemen. Die parallel stattf<strong>in</strong>dende Fachmesse<br />

Sensor+Test mit mehr als 500 Ausstellern, gilt als wichtigste<br />

Informationsplattform <strong>der</strong> Sensorik, Mess- <strong>und</strong> Prüf-<br />

technik europaweit <strong>und</strong> erweitert den Innovationsdialog<br />

<strong>der</strong> Kongressteilnehmer über die AMA-Kongresse h<strong>in</strong>aus.<br />

Interessierte Autoren bittet <strong>der</strong> Verband, e<strong>in</strong>e kurze Zusammenfassung<br />

des Vortrags o<strong>der</strong> Posters bis zum 17. Oktober<br />

2014 e<strong>in</strong>zureichen. Informationen zu den Themenschwerpunkten<br />

<strong>und</strong> zur Dokumentvorlage s<strong>in</strong>d zu f<strong>in</strong>den<br />

unter www.ama-science.org/direct/call-for-papers. (gz)<br />

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

Sophie-Charlotten-Str. 15, D-14059 Berl<strong>in</strong>,<br />

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

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

10<br />

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

9 / 2014


Workshop IT Security:<br />

Lösungen für die Praxis<br />

Die IT Security gilt als e<strong>in</strong>e zentrale Voraussetzung<br />

für den Erfolg von Industrie 4.0. Dem trägt das VDI/<br />

VDE-Expertenforum „IT Security Lösungen für die Praxis!“<br />

Rechnung, das am 11. November als Workshop <strong>in</strong><br />

Frankfurt stattf<strong>in</strong>det. Der Praxisbezug wird dort im Vor<strong>der</strong>gr<strong>und</strong><br />

stehen. Die Veranstaltung geht auf e<strong>in</strong>e geme<strong>in</strong>same<br />

Initiative von Namur, PNO, VDI/VDE-GMA,<br />

VDMA <strong>und</strong> ZVEI zurück.<br />

Die Veranstalter betonen, IT-Security sei zwar auch<br />

wegen des Themas Industrie 4.0 <strong>in</strong> den Fokus geraten,<br />

werde aber <strong>in</strong>terdiszipl<strong>in</strong>är <strong>in</strong> <strong>der</strong> Praxis nicht ausreichend<br />

behandelt o<strong>der</strong> noch aus <strong>der</strong> Diskussion zu Industrie<br />

4.0 ausgeklammert. Im Workshop geht es um Problemstellungen<br />

<strong>und</strong> dazu passende Lösungsansätze aus<br />

<strong>der</strong> täglichen Praxis. Berichte zu IT-Security-Projekten<br />

aus <strong>der</strong> Fabrikautomatisierung <strong>und</strong> aus dem Umfeld <strong>der</strong><br />

Prozessautomatisierung werden zur Diskussion gestellt.<br />

Zentrale Themen des Workshops s<strong>in</strong>d: Skizzierung<br />

<strong>der</strong> aktuellen Bedrohungslage für die Industrieautomation,<br />

Praxiserfahrungen aus dem Betrieb von automatisierten<br />

Produktions- <strong>und</strong> Fertigungsanlagen, Unterstützung<br />

durch Normen <strong>und</strong> Behörden, IT Security-Prozesse<br />

im Unternehmen.<br />

(gz)<br />

Unser<br />

Know-how<br />

für Sie<br />

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

AUTOMATISIERUNGSTECHNIK,<br />

VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf, Dr. He<strong>in</strong>z Bedenben<strong>der</strong>,<br />

Tel. +49 (0) 211 621 44 85, E-Mail: bedenben<strong>der</strong>@vdi.de<br />

Neuer Studiengang<br />

zur Cybersicherheit<br />

Wie Unternehmen die eigenen Daten vor Angriffen<br />

schützen können, wird ab Oktober im neuen Bachelor-Studiengang<br />

Cybersicherheit an <strong>der</strong> Universität des<br />

Saarlandes gelehrt. Die Studenten erforschen selbst die<br />

digitalen Bedrohungen im weltweiten Netz, s<strong>in</strong>d gleichzeitig<br />

Angreifer, Verteidiger <strong>und</strong> Forscher. Sie lernen, wie<br />

man Smartphones gegen Spionage-Apps wappnet, Computernetzwerke<br />

gegen Angriffe aus aller Welt schützt.<br />

„Wir s<strong>in</strong>d die erste Informatik-Fakultät, die e<strong>in</strong>en solchen<br />

Studiengang im universitären Umfeld anbietet“,<br />

sagt Michael Backes, Professor für Informationssicherheit<br />

<strong>und</strong> Kryptografie <strong>der</strong> Universität des Saarlandes<br />

<strong>und</strong> wissenschaftlicher Direktor des von <strong>der</strong> B<strong>und</strong>esregierung<br />

geför<strong>der</strong>ten Kompetenzzentrums für IT-Sicherheit<br />

(CISPA). Er wird <strong>in</strong> diesem Studiengang mit den<br />

Forscherkollegen an den verschiedenen Informatik-Instituten<br />

auf dem Campus zusammenarbeiten. (gz)<br />

Mit über 50 weitgehend selbstständigen<br />

Tochtergesellschaften<br />

<strong>und</strong> über 220 Ingenieur- <strong>und</strong><br />

Verkaufsbüros ist SAMSON auf<br />

allen Kont<strong>in</strong>enten k<strong>und</strong>ennah<br />

vertreten.<br />

Um Ihnen die gesamte Regeltechnik<br />

<strong>in</strong> höchster Qualität zu<br />

bieten, hat SAMSON mit hochspezialisierten<br />

Unternehmen die<br />

SAMSON GROUP gebildet.<br />

UNIVERSITÄT DES SAARLANDES,<br />

FACHRICHTUNG INFORMATIK,<br />

Campus, D-66123 Saarbrücken,<br />

Tel. +49 (0) 681 30 25 80 90,<br />

Internet: www.cs.uni-saarland.de<br />

A01120DE<br />

SAMSON AG · MESS- UND REGELTECHNIK<br />

Weismüllerstraße 3 · 60314 Frankfurt am Ma<strong>in</strong><br />

Telefon: 069 4009-0 · Telefax: 069 4009-1507<br />

E-Mail: samson@samson.de · www.samson.de<br />

SAMSON GROUP · www.samsongroup.net


PRAXIS<br />

Herausfor<strong>der</strong>ung Masch<strong>in</strong>enrichtl<strong>in</strong>ie: Internes<br />

Managementsystem br<strong>in</strong>gt Effizienz <strong>und</strong> Sicherheit<br />

Normen <strong>und</strong> Richtl<strong>in</strong>ien werden zuverlässig berücksichtigt <strong>und</strong> Schwachstellen frühzeitig erkannt<br />

UM MASCHINEN UND<br />

ANLAGEN im europäischen<br />

Wirtschaftsraum<br />

<strong>in</strong> Verkehr<br />

br<strong>in</strong>gen zu dürfen,<br />

müssen die Vorgaben<br />

<strong>der</strong> Masch<strong>in</strong>en richtl<strong>in</strong>ie<br />

(MaschRL 2006/42/EG)<br />

erfüllt se<strong>in</strong>.<br />

Unternehmen, die ihre Masch<strong>in</strong>ensicherheit systematisch<br />

managen, verfügen über e<strong>in</strong> wirksames<br />

Werkzeug zur Risikobeurteilung von neuen o<strong>der</strong> modifizierten<br />

Produkten – <strong>und</strong> damit über e<strong>in</strong>en entscheidenden<br />

Wettbewerbsvorteil.<br />

Masch<strong>in</strong>ensicherheit im Allgeme<strong>in</strong>en <strong>und</strong> funktionale<br />

Sicherheit im Speziellen s<strong>in</strong>d elementare Herausfor<strong>der</strong>ungen<br />

bei <strong>der</strong> Entwicklung <strong>und</strong> Konstruktion von<br />

Masch<strong>in</strong>en. Ziel ist es, die Risiken <strong>und</strong> Gefahren für<br />

Mensch <strong>und</strong> Umwelt so weit wie möglich auszuschließen.<br />

Die Masch<strong>in</strong>enrichtl<strong>in</strong>ie 2006/42/EG nimmt Hersteller<br />

<strong>und</strong> Betreiber <strong>in</strong> die Pflicht. E<strong>in</strong> effizientes Managementsystem<br />

zur funktionalen Sicherheit haben<br />

Experten von TÜV Süd bei e<strong>in</strong>em schwedischen Hersteller<br />

von Bergbaumasch<strong>in</strong>en erfolgreich e<strong>in</strong>geführt.<br />

Um Produkte <strong>in</strong>nerhalb des europäischen Wirtschaftsraums<br />

(EWR), <strong>der</strong> Schweiz <strong>und</strong> <strong>der</strong> Türkei <strong>in</strong><br />

Verkehr br<strong>in</strong>gen zu dürfen, müssen Hersteller von Masch<strong>in</strong>en<br />

die Anfor<strong>der</strong>ungen <strong>der</strong> Masch<strong>in</strong>enrichtl<strong>in</strong>ie<br />

erfüllen. Ziel ist primär, Mensch <strong>und</strong> – davon abgeleitet<br />

– die Umwelt zu schützen <strong>und</strong> aus unterschiedlichen<br />

Sicherheitsanfor<strong>der</strong>ungen resultierende Wettbewerbsverzerrungen<br />

zu vermeiden. Handelshemmnisse <strong>in</strong>nerhalb<br />

<strong>der</strong> EU sollen so abgebaut werden.<br />

DIE NORMEN WERDEN KONTINUIERLICH ANGEPASST<br />

Die Masch<strong>in</strong>enrichtl<strong>in</strong>ie 2006/42/EG formuliert im Anhang<br />

I allgeme<strong>in</strong>e sicherheitstechnische Anfor<strong>der</strong>ungen.<br />

Abhängig von <strong>der</strong> jeweiligen Branche, dem Masch<strong>in</strong>entyp<br />

<strong>und</strong> <strong>der</strong> technischen Ausstattung greifen dann unterschiedliche,<br />

harmonisierte <strong>und</strong> im Amtsblatt <strong>der</strong> EU<br />

veröffentlichte Normen mit unterschiedlicher Gewichtung.<br />

Die Normen werden dem Stand <strong>der</strong> Technik entsprechend<br />

kont<strong>in</strong>uierlich überarbeitet <strong>und</strong> angepasst.<br />

Exportiert e<strong>in</strong> Hersteller <strong>in</strong> Län<strong>der</strong> außerhalb des<br />

EWR muss er darüber h<strong>in</strong>aus die Gesetze <strong>und</strong> Vorschriften<br />

des jeweiligen Landes erfüllen, <strong>in</strong> dem die<br />

Masch<strong>in</strong>e vermarktet beziehungsweise betrieben werden<br />

soll. In den USA beispielsweise gelten an<strong>der</strong>e Vorschriften<br />

<strong>und</strong> Auflagen zur Gewährleistung <strong>der</strong> funktionalen<br />

Sicherheit als im europäischen Wirtschaftsraum,<br />

zum Beispiel die UL-Standards.<br />

MASCHINENSICHERHEIT SYSTEMATISCH MANAGEN<br />

Hersteller <strong>und</strong> Betreiber stehen damit <strong>in</strong> <strong>der</strong> Verantwortung,<br />

geltende, verän<strong>der</strong>te <strong>und</strong> neue Sicherheitsanfor<strong>der</strong>ungen<br />

für alle Produkte <strong>und</strong> weltweite Märkte<br />

systematisch zu beobachten <strong>und</strong> umzusetzen. Das stellt<br />

die Unternehmen vor vielschichtige Herausfor<strong>der</strong>ungen:<br />

Wie können die allgeme<strong>in</strong>en Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

<strong>der</strong> Masch<strong>in</strong>enrichtl<strong>in</strong>ie <strong>in</strong> jedem konkreten Fall erfüllt<br />

werden? Welche Normen <strong>und</strong> Standards müssen berücksichtigt<br />

se<strong>in</strong> – <strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e auch außerhalb <strong>der</strong><br />

EU? Wie erfolgt die rechtssichere <strong>und</strong> belastbare Dokumentation?<br />

Und wie kann das alles pragmatisch <strong>und</strong><br />

mit ger<strong>in</strong>gem Kostenaufwand realisiert werden?<br />

E<strong>in</strong>e effiziente <strong>und</strong> dauerhafte Lösung zur Bewältigung<br />

dieser komplexen Aufgaben ist die E<strong>in</strong>führung<br />

e<strong>in</strong>es betriebs<strong>in</strong>ternen Managementsystems zur Masch<strong>in</strong>ensicherheit<br />

<strong>und</strong> funktionalen Sicherheit. Das<br />

12<br />

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

9 / 2014


System bildet den organisatorischen Rahmen zur<br />

Sicherstellung sämtlicher technischer <strong>und</strong> prozesstechnischer<br />

Methoden <strong>und</strong> Maßnahmen, die notwendig<br />

s<strong>in</strong>d, um die Masch<strong>in</strong>ensicherheit zu gewährleisten.<br />

Das erfor<strong>der</strong>liche Know-how wird gebündelt<br />

<strong>und</strong> aufgearbeitet <strong>und</strong> kann unternehmensweit<br />

bereits <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er frühen Phase <strong>der</strong> Entwicklung<br />

neuer o<strong>der</strong> modifizierter Masch<strong>in</strong>en <strong>in</strong> den Konstruktionsprozess<br />

e<strong>in</strong>fließen.<br />

Der Prozess von <strong>der</strong> Konzeption bis zur Etablierung<br />

e<strong>in</strong>es Managementsystems zur funktionalen Sicherheit<br />

e<strong>in</strong>schließlich e<strong>in</strong>er möglichen Verzahnung mit<br />

bereits vorhandenen qualitätssichernden Systemen<br />

stellt höchste Anfor<strong>der</strong>ungen an e<strong>in</strong> Unternehmen.<br />

Vor diesem H<strong>in</strong>tergr<strong>und</strong> hat e<strong>in</strong> schwedischer Hersteller<br />

von Bergbaumasch<strong>in</strong>en Erfahrung <strong>und</strong> Knowhow<br />

von TÜV Süd Industrie Service h<strong>in</strong>zugezogen,<br />

um e<strong>in</strong> solches Management für den Bereich <strong>der</strong> funktionalen<br />

Sicherheit im Unternehmen zu etablieren.<br />

Als externe Berater zeichneten die TÜV Süd-Experten<br />

für funktionale Sicherheit dafür verantwortlich, dass<br />

alle relevanten Normen <strong>und</strong> Richtl<strong>in</strong>ien berücksichtigt<br />

<strong>und</strong> mögliche Schwachstellen frühzeitig identifiziert<br />

<strong>und</strong> ausgeräumt werden konnten.<br />

VOM KONZEPT ZUM MANAGEMENTSYSTEM<br />

Für das global agierende Unternehmen galt es zunächst,<br />

gr<strong>und</strong>legende Fragen zu klären: Welche konkreten<br />

Gefahren <strong>und</strong> Risiken gehen von den im Unternehmen<br />

hergestellten Bergbaumasch<strong>in</strong>en aus?<br />

Welche Normen <strong>und</strong> Richtl<strong>in</strong>ien s<strong>in</strong>d für diese Masch<strong>in</strong>en<br />

– auch h<strong>in</strong>sichtlich <strong>der</strong> globalen Zielmärkte<br />

– zu erfüllen? Mit welchen Methoden können Risiken<br />

beschrieben <strong>und</strong> quantifiziert werden? Welche konstruktiven<br />

Maßnahmen s<strong>in</strong>d unter Sicherheits- <strong>und</strong><br />

wirtschaftlichen Aspekten geeignet, um diese Risiken<br />

zu m<strong>in</strong>imieren o<strong>der</strong> auszuschließen?<br />

Um diese Fragen f<strong>und</strong>iert zu beantworten, führten<br />

die TÜV Süd-Experten zunächst mehrere Workshops<br />

<strong>und</strong> Schulungen im Unternehmen durch. Geme<strong>in</strong>sam<br />

mit verantwortlichen Masch<strong>in</strong>enbauern, Konstrukteuren,<br />

Sicherheits<strong>in</strong>genieuren <strong>und</strong> Mitarbeitern wurde<br />

<strong>der</strong> tatsächliche Handlungsbedarf ermittelt. Basierend<br />

auf den Ergebnissen konnte e<strong>in</strong> erstes Konzept<br />

entwickelt werden.<br />

Um belastbare Aussagen zu möglichen Risiken treffen<br />

zu können, wurden exemplarisch Mustermasch<strong>in</strong>en<br />

analysiert <strong>und</strong> nach den e<strong>in</strong>schlägigen Normen<br />

wie <strong>der</strong> IEC 61508, EN ISO 62061, EN ISO 12100 <strong>und</strong><br />

EN ISO 13849-1 <strong>und</strong> EN ISO 13849-2 beurteilt. Fokussiert<br />

wurden die <strong>in</strong>härent sichere Konstruktion <strong>der</strong><br />

Masch<strong>in</strong>en, die Ausfallsicherheit <strong>der</strong> elektrischen<br />

Systeme <strong>und</strong> <strong>der</strong> Steuerung sowie das Gefährdungspotenzial<br />

<strong>der</strong> mechanischen <strong>und</strong> hydraulischen Elemente.<br />

Durch die Untersuchung konnten wesentliche<br />

Sicherheitsaspekte identifiziert werden. Die Ergeb-<br />

Hidden Champion!<br />

ARCA<br />

Flow Gruppe<br />

weltweit:<br />

2. – 4. 12. 2014<br />

Halle 4 · Stand A02<br />

ECOTROL ® Stellventil<br />

Argumente, die sich<br />

nicht verstecken lassen:<br />

● hohe Zuverlässigkeit garantiert durch<br />

sorgfältige Auslegung, Fertigung<br />

<strong>und</strong> Qualitätskontrolle<br />

● <strong>in</strong>nere <strong>und</strong> äußere Dichtheit nach<br />

höchsten <strong>in</strong>ternationalen Standards<br />

● rohrloser, <strong>in</strong>tegrierter Anbau<br />

von <strong>in</strong>telligenten Stellungsreglern<br />

nach VDI 3847<br />

● m<strong>in</strong>imiert die Lebenszykluskosten<br />

● vielfach patentiert <strong>und</strong> ausgezeichnet<br />

Nutzen Sie den technischen Fortschritt<br />

e<strong>in</strong>er Generation bis DN 400!<br />

ARCA Regler GmbH, 47913 Tönisvorst<br />

Tel. 02156-7709-0, Fax 7709-55, sale@arca-valve.com<br />

www.arca-valve.com<br />

Für weitere<br />

Produkt<strong>in</strong>formationen<br />

• Zuverlässigkeit <strong>in</strong> Regelarmaturen, Pumpen & Cryogenics<br />

• Mit Tochtergesellschaften <strong>und</strong> Partnern <strong>in</strong> <strong>der</strong> Schweiz, den<br />

Nie<strong>der</strong>landen, Indien, VR Ch<strong>in</strong>a, Korea <strong>und</strong> Mexiko!


PRAXIS<br />

AUSMASS UND EINTRITTSWAHR-<br />

SCHEINLICHKEIT e<strong>in</strong>es Schadens<br />

werden <strong>in</strong> <strong>der</strong> Risikomatrix abgebildet.<br />

Sie visualisiert, ob Risiken im tolerierbaren<br />

Bereich liegen o<strong>der</strong> nicht.<br />

Inakzeptabel s<strong>in</strong>d Ereignisse, die mit<br />

hoher Wahrsche<strong>in</strong>lichkeit e<strong>in</strong>treten <strong>und</strong><br />

erhebliche negative Auswirkungen auf<br />

Mensch <strong>und</strong> Umwelt haben.<br />

nisse <strong>und</strong> die erarbeitete Methodik wurden anschließend<br />

wirksam auf an<strong>der</strong>e im Unternehmen entwickelte <strong>und</strong><br />

produzierte Bergbaumasch<strong>in</strong>en übertragen.<br />

RISIKOMATRIX ALS ZENTRALES ANALYSEWERKZEUG<br />

Zentrales Werkzeug <strong>der</strong> Risikoanalyse ist die Risikomatrix.<br />

Sie dient <strong>der</strong> Abbildung von Risiken <strong>und</strong> <strong>der</strong> Ableitung<br />

<strong>der</strong> sicherheitstechnischen Anfor<strong>der</strong>ungen <strong>und</strong><br />

<strong>der</strong> gezielten Bestimmung risikoreduzieren<strong>der</strong> Maßnahmen.<br />

Beruhend auf <strong>der</strong> klassischen Risikoanalyse, werden<br />

Risiken nach E<strong>in</strong>trittshäufigkeit <strong>und</strong> Schadensausmaß<br />

<strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Matrix qualifiziert. Sie liegen entwe<strong>der</strong> <strong>in</strong><br />

e<strong>in</strong>em tolerierbaren, nicht tolerierbaren o<strong>der</strong> <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em<br />

Bereich dazwischen <strong>und</strong> werden entsprechend e<strong>in</strong>er<br />

Risikoklasse zugeordnet. Vermeidbare Risiken lassen<br />

sich so effektiv identifizieren, evaluieren <strong>und</strong> modifizieren,<br />

verbleibende Restrisiken können wirksam kontrolliert<br />

beziehungsweise adressiert werden.<br />

PROZESSHANDBUCH BÜNDELT DAS WISSEN<br />

Risikoanalyse <strong>und</strong> -bewertung s<strong>in</strong>d <strong>in</strong> Anhang I <strong>der</strong><br />

Masch<strong>in</strong>enrichtl<strong>in</strong>ie verankert <strong>und</strong> für jede e<strong>in</strong>zelne<br />

Masch<strong>in</strong>e erfor<strong>der</strong>lich, die im Geltungsbereich erstmalig<br />

<strong>in</strong> Verkehr gebracht wird. Wesentlicher Bestandteil<br />

<strong>der</strong> Analyse <strong>und</strong> unternehmenskritischer Faktor ist die<br />

lückenlose, rechtssichere Dokumentation. Nur durch<br />

sie kann im Fall <strong>der</strong> Fälle <strong>der</strong> e<strong>in</strong>deutige Nachweis erbracht<br />

werden, dass die Masch<strong>in</strong>en entsprechend <strong>der</strong><br />

geltenden Normen <strong>und</strong> Vorschriften konstruiert <strong>und</strong><br />

gebaut wurden. Die Dokumentation ist unternehmensspezifisch,<br />

<strong>und</strong> im Verlauf <strong>der</strong> Workshops wurden die<br />

Anfor<strong>der</strong>ungen an die Risikoanalyse detailliert betrachtet.<br />

Darauf aufbauend wurde e<strong>in</strong>e entsprechende Vorgehensweise<br />

für das Unternehmen abgeleitet.<br />

Sämtliche Vorgehensweisen <strong>und</strong> Ergebnisse wurden<br />

geme<strong>in</strong>sam mit den Experten von TÜV Süd <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em<br />

Prozesshandbuch zusammengeführt, das dem Unternehmen<br />

als verb<strong>in</strong>dlicher Leitfaden zur Masch<strong>in</strong>enentwicklung<br />

<strong>und</strong> -konstruktion dient. Zudem gewährleistet<br />

e<strong>in</strong> für die funktionale Sicherheit von Masch<strong>in</strong>en<br />

verantwortlicher Mitarbeiter die Vollständigkeit, Aktualisierung<br />

von Normen <strong>und</strong> Richtl<strong>in</strong>ien sowie die<br />

unternehmensweite Verfügbarkeit <strong>der</strong> Dokumentation.<br />

E<strong>in</strong> erfolgreiches <strong>und</strong> wirtschaftliches Management<br />

zur Masch<strong>in</strong>ensicherheit im Allgeme<strong>in</strong>en <strong>und</strong> zur funktionalen<br />

Sicherheit im Speziellen erfor<strong>der</strong>t neben <strong>der</strong><br />

Anpassung unternehmens<strong>in</strong>terner Prozesse entsprechende<br />

Organisationsstrukturen. Neu gestaltete Organisations-,<br />

Kommunikations- <strong>und</strong> Informationsstrukturen<br />

sorgen jetzt bei dem Hersteller von Bergbaumasch<strong>in</strong>en<br />

dafür, dass funktionale Sicherheitsanfor<strong>der</strong>ungen<br />

<strong>in</strong> sämtlichen Prozessschritten <strong>der</strong> Planung,<br />

Konstruktion <strong>und</strong> Fertigung berücksichtigt werden.<br />

Vom verteilten Wissen <strong>in</strong> <strong>der</strong> lernenden Organisation<br />

profitieren auch die Mitarbeiter <strong>in</strong> E<strong>in</strong>kauf <strong>und</strong> im Vertrieb.<br />

Bei <strong>der</strong> Beschaffung sicherheitsrelevanter Komponenten<br />

o<strong>der</strong> beim Export <strong>in</strong> Län<strong>der</strong> mit abweichenden<br />

Vorgaben zur Masch<strong>in</strong>ensicherheit haben diese Organisationse<strong>in</strong>heiten<br />

nun Zugriff auf aktuelle, f<strong>und</strong>ierte<br />

<strong>und</strong> belastbare Daten.<br />

AUTOR<br />

Dr. ROLF M. ZÖLLNER ist<br />

CE-Experte <strong>und</strong> Risikomanager<br />

bei <strong>der</strong> TÜV SÜD<br />

Industrie Service GmbH<br />

<strong>in</strong> München.<br />

TÜV SÜD AG,<br />

Westendstraße 199,<br />

D-80686 München,<br />

Tel. +49 (0) 89 57 91 15 91,<br />

E-Mail:<br />

rolf.zoellner@tuev-sued.de<br />

14<br />

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

9 / 2014


6. SIL-Sprechst<strong>und</strong>e<br />

Funktionale Sicherheit<br />

23. + 24.9.2014, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH<br />

www.sil-sprechst<strong>und</strong>e.de<br />

Irrtümer <strong>und</strong><br />

Missverständnisse<br />

Veranstaltungskonzept<br />

Term<strong>in</strong><br />

Ort<br />

Haben Sie Fragen zur Anwendung <strong>der</strong> Normen<br />

IEC 61508, IEC 61511 o<strong>der</strong> VDI/VDE 2180? S<strong>in</strong>d Sie<br />

gefor<strong>der</strong>t, die e<strong>in</strong>getretenen Pfade zur Erlangung <strong>der</strong><br />

Sicherheit zu verlassen? Dann s<strong>in</strong>d Sie hier richtig!<br />

Reichen Sie Ihre Fragen r<strong>und</strong> um SIL e<strong>in</strong>. Diskutieren<br />

Sie mit Experten über die aktuellen Themen <strong>der</strong><br />

Funktionalen Sicherheit am 23. <strong>und</strong> 24. September<br />

<strong>in</strong> Mannheim!<br />

Dienstag, 23.09.2014<br />

Veranstaltung (11:30 – 17:15 Uhr)<br />

„Get-Together“ (ab 18:00 Uhr)<br />

Mittwoch, 24.09.2014<br />

Veranstaltung (9:00 – 15:00 Uhr)<br />

Pepperl+Fuchs GmbH<br />

Lilienthalstr. 200<br />

68307 Mannheim<br />

Programm<br />

Vom Umgang mit SIL – Erfahrungen e<strong>in</strong>es<br />

Behördenvertreters<br />

Fallstricke bei <strong>der</strong> SIL-E<strong>in</strong>reichung –<br />

Beobachtungen e<strong>in</strong>er Prüfstelle<br />

Die meistgemachten Fehler <strong>in</strong> <strong>der</strong> funktionalen<br />

Sicherheit<br />

Richtige Mitbenutzung sicherheitstechnischer<br />

Komponenten für die Prozessleittechnik<br />

Korrelation zwischen funktionaler Sicherheit<br />

<strong>und</strong> IT-Security<br />

Ist SIL e<strong>in</strong>e Produkteigenschaft?<br />

Workshops<br />

Referenten<br />

Thomas Gabriel, Bayer Technology Services GmbH<br />

Dirk Hablawetz, BASF SE<br />

Mart<strong>in</strong> Herrmann, Infracor GmbH<br />

Andreas Hildebrandt, Pepperl+Fuchs GmbH<br />

Udo Hug, BImSchG ß 29a Sachverständiger<br />

Thomas Karte, Samson AG<br />

Josef Kuboth, Landesamt für Natur, Umwelt <strong>und</strong><br />

Verbraucherschutz Nordrhe<strong>in</strong>-Westfalen<br />

Bernd Schrörs, Bayer Technology Services<br />

Heiko Schween, HIMA Paul Hildebrandt GmbH + Co KG<br />

Peter Sieber, Bilf<strong>in</strong>ger alpha msr GmbH<br />

Johann Ströbl, TÜV SÜD Industrie Service GmbH<br />

Werner Brockschmidt, Tesium GmbH<br />

Teilnahmegebühren<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>-Abonnenten 540 € zzgl. MwSt.<br />

Firmenempfehlung 590 € zzgl. MwSt.<br />

reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt.<br />

Studenten<br />

kostenlos<br />

(Universität, Fachhochschule, Duale Hochschule – Vorlage des<br />

Studentenausweises bei <strong>der</strong> Anmeldung erfor<strong>der</strong>lich)<br />

Anmeldung<br />

Detaillierte Informationen zur Veranstaltung,<br />

das vollständige Programm sowie die Onl<strong>in</strong>e-<br />

Anmeldung f<strong>in</strong>den Sie im Internet unter<br />

www.sil-sprechst<strong>und</strong>e.de<br />

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH<br />

Kirst<strong>in</strong> Sommer<br />

Arnulfstraße 124<br />

80636 München<br />

Tel.: +49 (0) 89 203 53 66-24<br />

Fax: +49 (0) 89 203 53 66-99<br />

E-Mail: soerensen@di-verlag.de<br />

www.sil-sprechst<strong>und</strong>e.de<br />

Pepperl+Fuchs GmbH<br />

Dr. Andreas Hildebrandt<br />

Lilienthalstraße 200<br />

68307 Mannheim<br />

Tel.: +49 (0) 621 776-1454<br />

Fax: +49 (0) 621 776-1108<br />

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

www.pepperl-fuchs.de


PRAXIS<br />

Prädiktive Wartung: Analyse von Echtzeit- <strong>und</strong><br />

historischen Daten kann Ausfälle verh<strong>in</strong><strong>der</strong>n<br />

Werkzeuge müssen nicht nur Anlagenausrüstung selbst modellieren, son<strong>der</strong>n auch die Steuerung<br />

RENTABILITÄT UNTER DRUCK: Die Betriebs kosten machen bei<br />

Anlagen <strong>der</strong> Energie-, Prozess- <strong>und</strong> Versorgungstechnik nahezu 60<br />

Prozent <strong>der</strong> Gesamtkosten aus. Prädiktive Wartung <strong>und</strong> Instandhaltung<br />

kann hier deutliche Optimierungen br<strong>in</strong>gen. Bil<strong>der</strong>: Dassault Systèmes<br />

PRÄDIKTIVE KONZEPTE<br />

zur Anlagenwartung<br />

s<strong>in</strong>d bereits <strong>in</strong> Gebrauch.<br />

Die Ansätze weisen aber<br />

noch Schwächen auf.<br />

EINDIMENSIONALE FUNKTIONALE UND<br />

DYSFUNKTIONALE SYSTEMANALYSE:<br />

Dies erhöht die Effizienz <strong>und</strong> ermöglicht<br />

es Unternehmen, effiziente prädiktive<br />

Sicherheitsanalysen durchzuführen. E<strong>in</strong><br />

Beispiel ist das Eurosyslib-Projekt, das<br />

von e<strong>in</strong>em europäischen Firmenkonsortium<br />

im Nuklearbereich <strong>in</strong>itiiert wurde.<br />

Anlagenbetreiber aus <strong>der</strong> Energie-, Prozess- <strong>und</strong> Versorgungstechnik<br />

stehen unter ständigem Druck, die<br />

Leistung zu maximieren <strong>und</strong> die Kosten zu m<strong>in</strong>imieren.<br />

Die Betriebskosten machen nahezu 60 Prozent <strong>der</strong> Gesamtkosten<br />

aus. Die Rentabilität e<strong>in</strong>es Anlagengeschäftsbereichs<br />

hängt daher entscheidend von <strong>der</strong> Verfügbarkeit<br />

<strong>der</strong> E<strong>in</strong>richtungen ab. Die Verfügbarkeiten müssen<br />

daher möglichst hoch, die Stillstandzeiten möglichst<br />

kurz se<strong>in</strong>. Alle Wartungsstrategien zielen letztlich darauf<br />

ab, künftige Verhaltensmuster zu prognostizieren,<br />

sobald die aktuelle Situation bekannt ist. Die prädiktive<br />

Wartung ist <strong>der</strong> Königsweg, e<strong>in</strong>e <strong>der</strong>artige Strategie zur<br />

Wahrung <strong>der</strong> Funktionstüchtigkeit e<strong>in</strong>er Anlage anzuwenden.<br />

Heutige Strategien erfüllen die Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

von Anlageneignern allerd<strong>in</strong>gs nicht.<br />

SCHWÄCHEN DER ZUSTANDSBASIERTEN WARTUNG<br />

Investitionsausgaben für längerfristige Anlagegüter wirken<br />

sich erheblich auf die Kosten e<strong>in</strong>es Endprodukts aus.<br />

Das gilt <strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e für die Energie-, Prozess- <strong>und</strong> Versorgungstechnik.<br />

In den 90er Jahren kamen die zustandsbasierte<br />

Instandhaltung <strong>und</strong> die zustandsbasierte Wartung<br />

auf. Hierzu wurden Informationen von Sensoren<br />

genutzt, um Alarme auszulösen o<strong>der</strong> um Instandhaltungs-<br />

beziehungsweise Arbeitsaufträge zu veranlassen<br />

<strong>und</strong> somit e<strong>in</strong>em Ausfall o<strong>der</strong> Fehlern zuvorzukommen.<br />

Zur Umsetzung e<strong>in</strong>es funktionierenden prädiktiven<br />

Konzepts wurden an diesem Ansatz mehrere Verbesserungen<br />

vorgenommen. Hierzu zählte unter an<strong>der</strong>em<br />

die Berücksichtigung <strong>der</strong> vor Ort erhobenen Daten. Anstatt<br />

sich im Falle e<strong>in</strong>es Alarms unverzüglich vor Ort<br />

zu begeben, nutzte man an<strong>der</strong>e, weitergehende Konzepte<br />

zur Überwachung langfristiger Trends anhand<br />

entsprechen<strong>der</strong> Parameter, um somit künftige Ausfälle<br />

antizipieren zu können.<br />

Dieses Konzept ist heute noch <strong>in</strong> Gebrauch. Es unterliegt<br />

jedoch gewissen E<strong>in</strong>schränkungen <strong>und</strong> Ineffizienzen:<br />

16<br />

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

9 / 2014


Relevante Informationen müssen <strong>in</strong> den richtigen<br />

Intervallen erhoben werden, um effiziente Ergebnisse<br />

zu erhalten.<br />

Die erhobenen Daten müssen zeitnah analysiert werden,<br />

um effiziente Vorhersagen tätigen zu können.<br />

Dieser Ansatz bezieht ke<strong>in</strong>e Produktionspläne e<strong>in</strong>;<br />

die Vorhersage von Ausfallzeiten <strong>und</strong> die zugehörigen<br />

Austauschaufträge könnten also die Produktion<br />

bee<strong>in</strong>trächtigen.<br />

Das Konzept entspricht nicht <strong>der</strong> „Lebenswirklichkeit“:<br />

Trends <strong>und</strong> Korrelationen werden ermittelt,<br />

ohne die Abtast- o<strong>der</strong> Probenhäufigkeit zu berücksichtigen.<br />

Hier wird versucht, e<strong>in</strong> Modell e<strong>in</strong>es<br />

Normalverhaltens zu erzeugen <strong>und</strong> anomale Tendenzen<br />

davon abzuziehen. (Unter „Lebenswirklichkeit“<br />

ist hier zu verstehen, anomale Vorfälle/<br />

Trends direkt zu betrachten.)<br />

VORHERSAGEBASIS UND PRÄDIKTIVE<br />

TECHNOLOGIEN<br />

Effiziente Werkzeuge sollten nicht nur die Anlagenausrüstung<br />

selbst modellieren können, son<strong>der</strong>n die<br />

Steuerung <strong>der</strong> Anlage. Letztlich sollte man <strong>in</strong> <strong>der</strong> Lage<br />

se<strong>in</strong>, die 3D-Dimension dieser Ressourcen <strong>und</strong> die<br />

Auswirkung auf <strong>der</strong>en Verhalten zu <strong>in</strong>tegrieren.<br />

Dazu e<strong>in</strong>ige Def<strong>in</strong>itionen <strong>und</strong> Gr<strong>und</strong>sätze: Prädiktion<br />

bedeutet, <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Lage zu se<strong>in</strong> (zu e<strong>in</strong>em Zeitpunkt<br />

= t), den künftigen Status e<strong>in</strong>es Systems <strong>und</strong><br />

<strong>der</strong> Ausrüstung zu beschreiben (zu e<strong>in</strong>em Zeitpunkt<br />

= t + dt). Dies impliziert, dass e<strong>in</strong> explizites o<strong>der</strong> implizites<br />

Modell des Systems <strong>und</strong> <strong>der</strong> Ausrüstung vorliegt,<br />

mit dem <strong>der</strong> künftige Status h<strong>in</strong>reichend berechenbar<br />

o<strong>der</strong> extrapolierbar ist. Dafür s<strong>in</strong>d folgende<br />

Punkte bedeutsam:<br />

Modell <strong>und</strong> Kenntnisse müssen im Vorfeld aufgebaut<br />

werden.<br />

Anschließend ist e<strong>in</strong> Benchmark<strong>in</strong>g anhand bekannter/dokumentierter<br />

vorheriger realer Situationen<br />

notwendig, um die Vorhersagegenauigkeit<br />

dieser „Referenzfälle“ zu überprüfen.<br />

Es müssen ausreichend viele Situationen getestet<br />

werden, damit Abdeckung <strong>und</strong> Umfang genau genug<br />

s<strong>in</strong>d, um im „Extrapolationsmodus“ für an<strong>der</strong>e,<br />

noch nicht getestete Situationen verwendbar zu se<strong>in</strong>.<br />

Der „explizite“ Ansatz ist zwar genauer, jedoch nur<br />

für „kurzfristige Situationen“ gültig (kurze „dt“),<br />

während <strong>der</strong> „implizite“ Ansatz komplexere Algorithmen<br />

benötigt, aber potenziell für längere Vorhersagezeiträume<br />

nutzbar ist. Ist ke<strong>in</strong> Modell vorhanden,<br />

kann man e<strong>in</strong>en re<strong>in</strong> stochastischen<br />

Blackbox-Ansatz o<strong>der</strong> e<strong>in</strong> nicht determ<strong>in</strong>istisches<br />

Phänomen verfolgen, bei dem man lediglich die<br />

bisherigen Erfahrungen dazu nutzt, e<strong>in</strong>ige Verhaltensweisen<br />

zu identifizieren, die potenziell reproduzierbar<br />

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

WEGE ZUM ZUVERLÄSSIGEN VERHALTENSMODELL<br />

E<strong>in</strong> zuverlässiges Verhaltensmodell lässt sich aufbauen<br />

durch:<br />

1 | empirische/heuristische/symbolische Verlaufsanalysen<br />

(die die gängigste Form für prädiktive Arbeiten<br />

darstellen):<br />

Lösungen für<br />

die Industrie<br />

Actemium ist e<strong>in</strong> kompetenter Anbieter von<br />

elektro- <strong>und</strong> automatisierungstechnischen<br />

Lösungen <strong>und</strong> Services.<br />

www.actemium.de


PRAXIS<br />

UMFASSENDE ABSICHERUNG: Wenn nicht exakt bekannt<br />

ist, welche Art von Ereignissen zu e<strong>in</strong>em Ausfall führen<br />

könnten, lässt sich durch Komb<strong>in</strong>ation mehrerer Technologien<br />

e<strong>in</strong> sehr breites Gefahrenspektrum abdecken.<br />

ELEMENTE DER LÖSUNG „SAFE<br />

PLANT OPERATION“: E<strong>in</strong>e solche<br />

Umgebung kann die prädiktive<br />

Wartung gr<strong>und</strong>legend verän<strong>der</strong>n.<br />

Re<strong>in</strong> <strong>in</strong>formale Know-how-Erfassung („Erfahrung“)<br />

Statistische Analyse<br />

2 | expliziten mathematischen „Whitebox“-Ansatz:<br />

Modellbasierte physikalische Gleichungen,<br />

sofern verfügbar<br />

Regelbasiert (Expertensystem, Mustererkennung)<br />

Entscheidungsbaum/Fehlerbaum (zur Diagnoseunterstützung)<br />

3 | expliziten mathematischen „Blackbox“-Ansatz<br />

(primär zur Beschreibung e<strong>in</strong>es chemischen Prozesses/Transformationsprozesses,<br />

also für erweiterte<br />

Echtzeit-Kontrollstrategien):<br />

„Neuronale Netzwerke“<br />

„SVM“ (Support Vector Mach<strong>in</strong>e)<br />

Multivariables Prozessschritt-Reaktionsmodell<br />

(Und-/O<strong>der</strong>-Impuls) (primär zur erweiterten<br />

Kontrolle kont<strong>in</strong>uierlicher Prozesse)<br />

4 | Nutzung e<strong>in</strong>er dynamischen 3D-Multiphysik-<br />

Simulation:<br />

Dieser sehr spezifische Ansatz berücksichtigt<br />

die 3D-Eigenschaften je<strong>der</strong> Ausrüstung <strong>und</strong><br />

<strong>der</strong>en Reaktion auf ihre physische 3D-Umgebung,<br />

wobei <strong>der</strong> 3D-E<strong>in</strong>fluss nicht Bestandteil<br />

<strong>der</strong> zuvor aufgeführten Konzepte ist<br />

Dieser Ansatz konzentriert sich auf das<br />

Ausrüstungsverhalten im Verhältnis zu den<br />

physischen E<strong>in</strong>schränkungen (beispielsweise<br />

Schw<strong>in</strong>gung, Wärme)<br />

TECHNOLOGIEN ZUR PRÄDIKTIONSMODELLIERUNG<br />

Dassault Systèmes verfügt über e<strong>in</strong> großes Portfolio an<br />

Technologien, die sich nicht nur auf Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Tätigkeiten<br />

beziehen, son<strong>der</strong>n auch erfolgreich für Betriebs<strong>und</strong><br />

Wartungszwecke verwendbar s<strong>in</strong>d (<strong>und</strong> bereits<br />

verwendet werden). Beide Bereiche (Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g auf <strong>der</strong><br />

e<strong>in</strong>en Seite sowie Betrieb <strong>und</strong> Wartung auf <strong>der</strong> an<strong>der</strong>en)<br />

erfor<strong>der</strong>n zuverlässige Modelle, um e<strong>in</strong>en künftigen<br />

Prozess zu simulieren, e<strong>in</strong> vergangenes Ereignis wie<strong>der</strong>zugeben<br />

o<strong>der</strong> e<strong>in</strong> künftiges Ereignis vorherzusagen.<br />

Der empirische/heuristische/symbolische/stochastische<br />

Ansatz ist wie bereits erwähnt <strong>der</strong> heute für die<br />

prädiktive Wartung gängigste Ansatz. Anlagenbetreiber<br />

nutzen die große Menge von „Echtzeitdaten“ <strong>und</strong> historischen<br />

Daten, die durch Sensoren, DCS (Distributed<br />

Control Systems), Scada (Supervisory Control And Data<br />

Acquisition) o<strong>der</strong> Verlaufsaufzeichnungen erhoben<br />

wurden. Dank <strong>der</strong> Analyse dieser Massendaten s<strong>in</strong>d<br />

Unternehmen <strong>in</strong> <strong>der</strong> Lage, Trends zu identifizieren <strong>und</strong><br />

den künftigen Status e<strong>in</strong>es laufenden Prozesses zu extrapolieren.<br />

Durch rechtzeitiges E<strong>in</strong>richten von<br />

Alarmen lässt sich e<strong>in</strong> Ausfall vermeiden.<br />

Mit <strong>der</strong> Exalead SBA-Umgebung (Search Based Application)<br />

ist es zudem sehr leicht <strong>und</strong> effizient, aussagekräftige<br />

Informationen aus massiven Datensammlungen<br />

<strong>und</strong> mit erweiterten Dashboard-Funktionen zu<br />

sortieren, zu filtern <strong>und</strong> zu extrahieren.<br />

Mit <strong>der</strong> Delmia OI-Technologie (Operation Intelligence)<br />

lassen sich <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Wartungsszenario präskriptive<br />

Funktionen bereitstellen. Diese Technologie kann „verdeckte<br />

Regeln“ aus e<strong>in</strong>er Reihe von Werten extrahieren,<br />

die sich auf verschiedene Parameter beziehen, die „a priori“<br />

zusammen ke<strong>in</strong>e starken Interaktionen aufweisen.<br />

„WHITEBOX“-KONZEPT AUCH FÜR REALEN BETRIEB<br />

Dassault Systèmes stellt mehrere Modellierungstechnologien<br />

bereit, die auf dem mathematischen „Whitebox“-<br />

Konzept beruhen: Dymola basiert auf <strong>der</strong> offenen Sprache<br />

„Modelica“. Sie bietet Modellierungsfunktionen für<br />

18<br />

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

9 / 2014


Funktionssysteme, die auf jede Art von komplexen<br />

Ausrüstungssystemen anwendbar s<strong>in</strong>d (o<strong>der</strong> auf e<strong>in</strong>e<br />

komplette Anlage, die e<strong>in</strong> „System von Systemen“ ist).<br />

Sie wird <strong>in</strong> <strong>der</strong> Energieerzeugungsbranche mit e<strong>in</strong>er<br />

großen Zahl an Bibliotheken mit Komponenten, Standardausrüstungen<br />

benutzt, wie beispielsweise Kesseln,<br />

Wärmetauschern, Verdichtern.<br />

Sie ist nicht nur <strong>in</strong> den Vorstudien für neue Anlagen<br />

zur Dimensionierung <strong>der</strong> Ausrüstung e<strong>in</strong>setzbar, son<strong>der</strong>n<br />

auch im realen Betrieb. Dort dient sie zur Untersuchung<br />

des dynamischen Verhaltens <strong>der</strong> Anlage während<br />

des Anfahrens, <strong>der</strong> Übergangsphasen o<strong>der</strong> des<br />

Herunterfahrens sowie zur Diagnose von Materialermüdungen.<br />

SD9 (Safety Designer) ist e<strong>in</strong>e weitere Modellierungstechnologie,<br />

die auf <strong>der</strong> Sprache „altarica“ beruht. Sie<br />

ermöglicht die Erstellung von Systemmodellen mit dysfunktionaler<br />

Beschreibung (anhand <strong>der</strong> Ausfallmodi<br />

FMEA, MTBR). Mit e<strong>in</strong>er <strong>der</strong>artigen Lösung lassen sich<br />

die abschließenden Folgen e<strong>in</strong>es Ausfalls <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em System<br />

ermitteln. Die Lösung kann die Fortpflanzung des<br />

Ausfalls <strong>in</strong>nerhalb <strong>der</strong> verb<strong>und</strong>enen Komponenten prognostizieren<br />

<strong>und</strong> e<strong>in</strong>en Endstatus liefern. Dies lässt sich<br />

mit <strong>der</strong> komplementären Lösung FT9 (Fault Tree Analyzer)<br />

komb<strong>in</strong>ieren, um die Effizienz des gesamten Konzepts<br />

zu verbessern.<br />

ANSATZ BERÜCKSICHTIGT AUCH DIE 3D-GEOMETRIE<br />

Alle vorherigen Ansätze s<strong>in</strong>d „1D“-Verfahren: Sie berücksichtigen<br />

nicht die 3D-Eigenschaften von Ausrüstungen.<br />

Die 3D-Geometrie kann jedoch das Verhalten<br />

dieser Ressourcen <strong>in</strong> ihrer Umgebung bee<strong>in</strong>flussen.<br />

Dies wird mit dem Dynamischen 3D-Multiphysik-Lösungsansatz<br />

berücksichtigt.<br />

Mit Simulia Abaqus wird die Geometrie anhand <strong>der</strong><br />

F<strong>in</strong>ite-Elemente-Methode (FEM) e<strong>in</strong>bezogen. Simulia<br />

umfasst dynamische Multiphysik-Modelle zur Simulation<br />

des Verhaltens von Ausrüstungen unter physikalischen<br />

E<strong>in</strong>schränkungen, wie beispielsweise Schw<strong>in</strong>gung<br />

<strong>und</strong> Wärme. So ist es möglich, diese E<strong>in</strong>schränkungen<br />

auf die Geometrie e<strong>in</strong>er neuen Ausrüstung<br />

sowie auf die „modifizierte Geometrie“ e<strong>in</strong>er alten<br />

BEISPIEL-CHECKLISTE<br />

Ausrüstung anzuwenden (e<strong>in</strong>schließlich <strong>der</strong> 3D-Defekte<br />

aus dem bisherigen Lebenszyklus <strong>der</strong> Ausrüstung),<br />

um die bis zu e<strong>in</strong>em schweren Ausfall verbleibende<br />

Lebensdauer zu prognostizieren.<br />

Die Workflow-Eng<strong>in</strong>e Simulia Isight ist <strong>in</strong> <strong>der</strong> Lage,<br />

e<strong>in</strong>e Reihe von Tests <strong>und</strong> Simulationen mit verschiedenen<br />

Werkzeugen zu automatisieren. Zur Erzielung<br />

bestmöglicher Ergebnisse kann sie zudem die Produktivität<br />

e<strong>in</strong>er solchen Tätigkeit durch Anwendung diverser<br />

Optimierungsmethoden verbessern (wie beispielsweise<br />

„Erfahrungsplanung“). Isight dient darüber<br />

h<strong>in</strong>aus zur Automatisierung von Simulia-Tests (o<strong>der</strong><br />

an<strong>der</strong>er Simulationswerkzeuge).<br />

OPTIMIERUNG DURCH KOMBINIERTE TECHNOLOGIEN<br />

Je<strong>der</strong> Ansatz <strong>und</strong> jede Technologie hat ihre eigenen<br />

Stärken <strong>in</strong> Bezug auf die Ausfallprognose (präskriptiver<br />

o<strong>der</strong> prädiktiver Ansatz, beg<strong>in</strong>nend mit Ausfallmodi<br />

<strong>und</strong> so weiter). Durch Komb<strong>in</strong>ation mehrerer<br />

Ansätze können Unternehmen e<strong>in</strong> breiteres Spektrum<br />

von Ereignissen abdecken (was wichtig ist, wenn es<br />

sich um Ereignisse handelt, die nicht im Voraus bekannt<br />

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

Es ist beispielsweise möglich, Folgendes mite<strong>in</strong>an<strong>der</strong><br />

zu komb<strong>in</strong>ieren: e<strong>in</strong> physisches Top-Down-Modell<br />

basierend auf e<strong>in</strong>em Schadenprognoseansatz mit<br />

e<strong>in</strong>em semantischen Bottom-Up-Netz (Fehlerbaum)<br />

zur Diagnoseunterstützung. Dies erhöht die Effizienz<br />

<strong>und</strong> ermöglicht es Unternehmen, effiziente prädiktive<br />

Sicherheitsanalysen durchzuführen. E<strong>in</strong> Beispiel<br />

ist das Eurosyslib-Projekt, das von e<strong>in</strong>em europäischen<br />

Firmenkonsortium im Nuklearbereich <strong>in</strong>itiiert<br />

wurde.<br />

Mit <strong>der</strong> Branchenlösung „Safe Plant Operation“ geht<br />

Dassault Systèmes noch weiter. Diese Lösung basiert auf<br />

e<strong>in</strong>er e<strong>in</strong>zigen 3DExperience-Plattform <strong>und</strong> umfasst mehrere<br />

Anwendungen: Die direkte Befähigung zur prädiktiven<br />

Wartung (wie oben aufgeführt) o<strong>der</strong> Unterstützung<br />

angrenzen<strong>der</strong> Prozesse für an<strong>der</strong>e, wie beispielsweise die<br />

virtuelle Ausbildung von Wartungspersonal, Anlagen-<br />

Informationslebenszyklus o<strong>der</strong> Ersatzteil-Intelligenz.<br />

AUTOR<br />

Die wichtigsten Punkte für e<strong>in</strong>e dynamische Modellierung<br />

e<strong>in</strong>es Gas- <strong>und</strong> Dampfturb<strong>in</strong>en-Kraftwerks:<br />

Genaue Prüfung <strong>der</strong> Leistung <strong>und</strong> <strong>der</strong> Konstruktion<br />

durch die Hersteller (Kommissionierung)<br />

Prüfung <strong>und</strong> Validierung durch Simulation des<br />

GT-Trip-Szenarios mit Hoch- <strong>und</strong> Herunterfahren<br />

F<strong>in</strong>den optimierter Betriebspunkte <strong>und</strong> Optimierungsverfahren<br />

für Bediener<br />

Integration des Modells <strong>in</strong> die Betriebs- o<strong>der</strong><br />

Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Software (lokale o<strong>der</strong> entfernte<br />

Überwachung)<br />

Validierung des Steuerungssystems<br />

Dr. JOACHIM BETZ ist Bus<strong>in</strong>ess<br />

Consultant für die Energie-,<br />

Prozess- <strong>und</strong> Utility-Industrie<br />

bei Dassault Systèmes<br />

Deutschland GmbH.<br />

Dassault Systèmes<br />

Deutschland GmbH,<br />

Messe-Campus Riem,<br />

Joseph-Wild-Str. 20,<br />

D-81829 München,<br />

Tel. +49 (0) 173 318 16 91,<br />

E-Mail: joachim.betz@3ds.com<br />

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

9 / 2014<br />

19


PRAXIS<br />

Sensible Roboterhaut erlaubt sichere<br />

Zusammenarbeit von Mensch <strong>und</strong> Masch<strong>in</strong>e<br />

Fraunhofer IFF entwickelt hybrides Sensorsystem mit Annäherungserkennung<br />

MIT EINER SPEZIELLEN SENSORHAUT<br />

br<strong>in</strong>gen die Forscher vom Fraunhofer IFF<br />

Robotern das „Fühlen“ bei.<br />

IM AUFTRAG<br />

VON BMW haben<br />

die Forscher e<strong>in</strong>en<br />

ABB-Roboter<br />

proto typisch mit<br />

<strong>der</strong> Sensorhaut<br />

ausgestattet.<br />

Bil<strong>der</strong>: Fraunhofer IFF<br />

MIT DER SENSORHAUT merkt <strong>der</strong> Roboter<br />

nicht nur, dass sich jemand nähert,<br />

son<strong>der</strong>n auch, aus welcher Richtung.<br />

Die Vision für die Industrie <strong>der</strong> <strong>Zukunft</strong>: Mensch<br />

<strong>und</strong> Roboter sollen Hand <strong>in</strong> Hand arbeiten. Das geht<br />

jedoch nur dann, wenn die Roboter Menschen zuverlässig<br />

erkennen, also „sehen“ o<strong>der</strong> „spüren“, wenn e<strong>in</strong><br />

Mensch ihnen gefährlich nahe kommt <strong>und</strong> entsprechend<br />

ausweichen. Etwa über e<strong>in</strong>e sensible Haut.<br />

TEAMWORK IST DIE ZUKUNFT<br />

Die <strong>Zukunft</strong> liegt <strong>in</strong> <strong>der</strong> Teamarbeit. Sowohl Menschen<br />

als auch Roboter sollen ihre beson<strong>der</strong>en Fähigkeiten<br />

e<strong>in</strong>br<strong>in</strong>gen <strong>und</strong> geme<strong>in</strong>sam <strong>in</strong> <strong>der</strong> Produktion arbeiten.<br />

Im Alltag könnte das folgen<strong>der</strong>maßen aussehen: Bauteile<br />

beispielsweise, die zu schwer für den Menschen<br />

s<strong>in</strong>d, aber zu leicht für e<strong>in</strong>en Kran, hebt <strong>der</strong> Roboter.<br />

Den Weg gibt se<strong>in</strong> menschlicher Kollege vor, etwa <strong>in</strong>dem<br />

er ihn am Arm fasst <strong>und</strong> führt. Kurzum: Der Mensch<br />

entscheidet <strong>und</strong> br<strong>in</strong>gt se<strong>in</strong> Know-how e<strong>in</strong>, <strong>der</strong> Roboter<br />

übernimmt die schwere Arbeit. Dies ist auch vor dem<br />

H<strong>in</strong>tergr<strong>und</strong> des demografischen Wandels s<strong>in</strong>nvoll. Die<br />

Bevölkerung wird immer älter, daher sollen die Arbeiter<br />

möglichst lange <strong>in</strong> den Fabriken arbeiten können. E<strong>in</strong>e<br />

Möglichkeit dazu liegt dar<strong>in</strong>, die körperlich schwere<br />

Arbeit den Masch<strong>in</strong>en zu überlassen.<br />

Für die Zusammenarbeit gibt es verschiedene Formen.<br />

Entwe<strong>der</strong> Mensch <strong>und</strong> Roboter arbeiten zu unterschiedlichen<br />

Zeiten an e<strong>in</strong>em Bauteil o<strong>der</strong> sie montieren gleichzeitig<br />

e<strong>in</strong> Bauteil Hand <strong>in</strong> Hand. Doch bevor Roboter <strong>und</strong><br />

Mensch zusammenarbeiten können, muss e<strong>in</strong>e Risikoanalyse<br />

durchgeführt werden – für jeden e<strong>in</strong>zelnen Arbeitsplatz.<br />

Welche Sicherheitsanfor<strong>der</strong>ungen muss <strong>der</strong><br />

Roboter e<strong>in</strong>halten? Wie schnell darf er arbeiten <strong>und</strong><br />

wann muss er se<strong>in</strong>e Bewegungen stoppen, um den Menschen<br />

nicht <strong>in</strong> Gefahr zu br<strong>in</strong>gen? Anhand dieser Bewertung<br />

lässt sich entscheiden, über welche Sensoren<br />

<strong>der</strong> Roboter o<strong>der</strong> die Roboterzelle verfügen müssen.<br />

ROBOTER SOLL SCHNELL UND SICHER SEIN<br />

Bei dieser Teamarbeit gilt es jedoch, konträre Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

unter e<strong>in</strong>en Hut zu br<strong>in</strong>gen. Zum e<strong>in</strong>en darf <strong>der</strong><br />

Roboter <strong>in</strong> <strong>der</strong> Nähe e<strong>in</strong>es Menschen nicht zu schnell<br />

arbeiten, um ihn bei e<strong>in</strong>er möglichen Kollision nicht zu<br />

verletzen. Zum an<strong>der</strong>en sollen möglichst viele Produkte<br />

<strong>in</strong> kurzer Zeit gefertigt werden – dazu müsste sich <strong>der</strong><br />

Roboter schnell bewegen. Wie lassen sich diese zwei<br />

For<strong>der</strong>ungen mite<strong>in</strong>an<strong>der</strong> komb<strong>in</strong>ieren, wo sie doch so<br />

gegensätzlich s<strong>in</strong>d? E<strong>in</strong>e Möglichkeit dafür haben die<br />

Forscher am Fraunhofer IFF <strong>in</strong> Magdeburg mit ihren<br />

druck- <strong>und</strong> näherungssensitiven Sensorsystemen geschaffen.<br />

Die Sensorsysteme können <strong>in</strong> Form e<strong>in</strong>er Sensorhaut<br />

auf die Roboteroberfläche aufgebracht werden.<br />

Nähert sich jemand, spürt <strong>der</strong> Roboter dies über die<br />

Sensorhaut <strong>und</strong> bremst so weit ab, dass er den Menschen<br />

bei e<strong>in</strong>em Zusammenstoß nicht verletzt. Auch Berührungen<br />

nimmt er wahr <strong>und</strong> weicht dementsprechend<br />

20<br />

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

9 / 2014


aus. E<strong>in</strong> weiterer Vorteil: Das Sensorsystem verleiht dem<br />

harten Stahl des Roboters e<strong>in</strong>e weiche Oberfläche, quasi<br />

e<strong>in</strong>e Art Knautschzone. Der Roboter kann dadurch<br />

schneller arbeiten <strong>und</strong> die gewünschten kurzen Taktzeiten<br />

realisieren. Nur dann, wenn e<strong>in</strong> Mensch <strong>in</strong> se<strong>in</strong>en<br />

Bereich kommt, bremst er ab – <strong>und</strong> gewährleistet<br />

somit die Sicherheit se<strong>in</strong>er menschlichen Kollegen.<br />

E<strong>in</strong>en Prototyp dieser Sensorhaut haben die Forscher<br />

unter an<strong>der</strong>em beispielhaft für e<strong>in</strong>en ABB-Roboter entwickelt,<br />

im Auftrag von BMW. Mit diesem Prototyp<br />

wollen die Autobauer die Möglichkeiten <strong>und</strong> Grenzen<br />

<strong>der</strong> Technik austesten <strong>und</strong> Vorlaufforschung betreiben.<br />

Sie möchten untersuchen, was e<strong>in</strong> solcher Roboter kann<br />

<strong>und</strong> <strong>in</strong> welchem Bereich <strong>der</strong> Produktion man ihn bestmöglich<br />

e<strong>in</strong>setzen könnte.<br />

FEINFÜHLIGE HAUT DES ROBOTERS<br />

Wie die menschliche Haut, besteht auch die Sensorhaut<br />

aus mehreren Schichten. Berührungen werden über e<strong>in</strong>en<br />

patentierten, matrixförmigen Sensorverb<strong>und</strong> mit e<strong>in</strong>er<br />

Vielzahl von E<strong>in</strong>zelsensoren erfasst. Wirkt e<strong>in</strong>e Kraft auf<br />

e<strong>in</strong>en <strong>der</strong> E<strong>in</strong>zelsensoren, so än<strong>der</strong>t dieser se<strong>in</strong>en elektrischen<br />

Wi<strong>der</strong>stand. E<strong>in</strong> mit <strong>der</strong> Sensorhaut ausgestatteter<br />

Roboter spürt daher nicht nur, dass er angefasst wird,<br />

son<strong>der</strong>n auch wo <strong>und</strong> wie fest. Zusätzlich haben die Experten<br />

<strong>in</strong> die Sensorhaut kapazitive Sensorelemente <strong>in</strong>tegriert.<br />

Diese bilden <strong>in</strong> ihrer Umgebung e<strong>in</strong> elektrisches<br />

Feld aus. Nähert sich e<strong>in</strong> Mensch, än<strong>der</strong>t sich dieses Feld.<br />

Die Än<strong>der</strong>ung kann gemessen <strong>und</strong> <strong>der</strong> Mensch damit <strong>in</strong><br />

<strong>der</strong> Umgebung des Roboters erfasst werden. Da die Forscher<br />

auch hier nicht nur e<strong>in</strong>en e<strong>in</strong>zelnen Sensor e<strong>in</strong>gebaut<br />

haben, son<strong>der</strong>n wie<strong>der</strong>um e<strong>in</strong> ganzes Sensornetzwerk,<br />

spürt <strong>der</strong> Roboter nicht nur, dass sich jemand nähert,<br />

son<strong>der</strong>n merkt auch aus welcher Richtung.<br />

ZUSAMMENSPIEL DER SENSORSYSTEME<br />

Die gr<strong>und</strong>legende Entwicklungsleistung bei <strong>der</strong> Integration<br />

<strong>der</strong> unterschiedlichen Sensorfunktionen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e<br />

kompakte, universell adaptierbare Roboterhaut besteht<br />

im komplexen Zusammenspiel <strong>der</strong> e<strong>in</strong>zelnen Sensorsysteme.<br />

Die Schwierigkeit dabei: Die zur Annäherungsdetektion<br />

genutzten kapazitiven Sensorelemente <strong>und</strong> die<br />

Drucksensoren dürfen sich gegenseitig nicht bee<strong>in</strong>flussen.<br />

Zudem ist e<strong>in</strong>e hohe Reichweite <strong>der</strong> Näherungssensorik<br />

gewünscht – das elektrische Feld <strong>der</strong> kapazitiven<br />

Sensorelemente soll daher möglichst weitreichend <strong>und</strong><br />

gerichtet aus <strong>der</strong> Roboteroberfläche austreten.<br />

Darüber h<strong>in</strong>aus gilt es, die Sensorik auf die komplexe<br />

Geometrie des Roboters aufzubr<strong>in</strong>gen <strong>und</strong> dort mit<br />

Strom zu versorgen. Dafür haben sich Sensorschalen<br />

bewährt, die an die Geometrie des Roboters angepasst<br />

werden. Sie ermöglichen zudem e<strong>in</strong>e e<strong>in</strong>fache Wartung<br />

<strong>und</strong> auch den Austausch defekter Sensoren. Die Sensoren,<br />

die sich <strong>in</strong> <strong>der</strong> Sensorhaut verbergen, s<strong>in</strong>d robust<br />

<strong>und</strong> haben e<strong>in</strong>e lange Lebensdauer. Funktioniert doch<br />

mal e<strong>in</strong>er nicht, so wird <strong>der</strong> Defekt durch <strong>in</strong>tegrierte<br />

Überwachungsmechanismen erkannt <strong>und</strong> das System<br />

gibt e<strong>in</strong>e Warnung aus. Der Endnutzer kann nun selbst<br />

tätig werden <strong>und</strong> die defekte Sensorschale mit wenigen<br />

Handgriffen auswechseln – ohne tagelang auf e<strong>in</strong>en Servicetechniker<br />

warten zu müssen.<br />

BREITES ANWENDUNGSSPEKTRUM<br />

Das Anwendungsspektrum <strong>der</strong> patentierten Sensortechnologie<br />

aus dem Fraunhofer IFF ist groß. Die Industrie hat<br />

erhebliches Interesse an e<strong>in</strong>er Umsetzung zum Produkt.<br />

Dabei s<strong>in</strong>d die möglichen E<strong>in</strong>satzfel<strong>der</strong> nicht alle<strong>in</strong> auf<br />

die Robotik begrenzt. So lässt sich das Sensorsystem beispielsweise<br />

im Fußboden <strong>in</strong>tegrieren. Personen könnten<br />

damit lokalisiert <strong>und</strong> Bewegungen verfolgt werden.<br />

Die Sensoren könnten auch an den Greifern <strong>der</strong> Roboter<br />

angebracht werden <strong>und</strong> ihnen somit e<strong>in</strong>en Tasts<strong>in</strong>n verleihen.<br />

Dann würden die Roboter spüren, wie sie e<strong>in</strong> bestimmtes<br />

Objekt gegriffen haben <strong>und</strong> ob es beispielsweise<br />

rutscht. Denkbar ist es auch, <strong>in</strong>novative E<strong>in</strong>gabegeräte auf<br />

Basis dieser Sensorsysteme zu verwirklichen. Drucksensitive<br />

Oberflächen auf Robotern könnten neben Sicherheitsfunktion<br />

auch gr<strong>und</strong>legende Interaktionsmodalitäten<br />

bieten – <strong>der</strong> Mitarbeiter könnte über bestimmte Schaltflächen<br />

beispielsweise den Greifer des Roboters direkt ansteuern.<br />

Berührt er den Roboter an e<strong>in</strong>er bestimmten Stelle,<br />

so registriert <strong>der</strong> Roboter, dass es sich hier nicht um<br />

e<strong>in</strong>e zufällige Kollision handelt, son<strong>der</strong>n um e<strong>in</strong>e gezielte<br />

E<strong>in</strong>gabe – <strong>und</strong> öffnet o<strong>der</strong> schließt se<strong>in</strong>en Greifer.<br />

AUTOREN<br />

M.Eng. MARKUS FRITZSCHE<br />

ist Mitarbeiter im Geschäftsfeld<br />

Robotersysteme am Fraunhofer<br />

IFF <strong>in</strong> Magdeburg.<br />

Dr. techn. NORBERT ELKMANN<br />

ist Leiter des Geschäftsfelds<br />

Robotersysteme am Fraunhofer<br />

IFF <strong>in</strong> Magdeburg.<br />

Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb <strong>und</strong> -automatisierung IFF,<br />

Sandtorstraße 22, D-39004 Magdeburg, Tel. +49 (0) 391 409 02 89,<br />

E-Mail: norbert.elkmann@iff.fraunhofer.de<br />

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

9 / 2014<br />

21


PRAXIS<br />

Schweißstromquelle, Werkstückpositionierer <strong>und</strong><br />

Roboter stimmen ihre Aktionen aufe<strong>in</strong>an<strong>der</strong> ab<br />

Craemer-Gruppe nutzt Lösung zum automatisierten Fügen <strong>und</strong> bewahrt sich dennoch Flexibilität<br />

Die Craemer Gruppe setzt bei Schweißarbeiten erfolgreich<br />

auf Automatisierung. E<strong>in</strong> aktuelles Fallbeispiel<br />

bilden modulare Zellen des Typs FlexArc RX1. Als<br />

Gründe für ihre Investitionsentscheidung nennen die<br />

Verantwortlichen bei Craemer die sehr guten, reproduzierbaren<br />

Schweißergebnisse sowie komfortables Bedienen<br />

bei wechselnden, flexibel gestaltbaren Fügeaufgaben.<br />

Die Anwen<strong>der</strong> verwirklichen e<strong>in</strong>e konstante Streckenenergie<br />

auch bei komplexen Bahnen. Die Schweißzellen<br />

überzeugen mit ihrer kompakten, flächensparenden<br />

Baugröße, <strong>der</strong> „Plug-and-produce“-Realität <strong>und</strong> vor<br />

allem mit <strong>der</strong> modularen, nachträglichen Umrüstbarkeit.<br />

Sie s<strong>in</strong>d für kle<strong>in</strong>e bis mittelgroße Bauteile <strong>der</strong> Automobilzuliefer-<br />

<strong>und</strong> übrigen Industrie ausgelegt.<br />

Schweißaufgaben gehören dank <strong>der</strong> Trendsetterrolle<br />

<strong>der</strong> Automobil<strong>in</strong>dustrie zu den Fertigungsschritten mit<br />

<strong>der</strong> längsten Automatisierungs-Tradition. Höchste Ansprüche<br />

<strong>der</strong> B2B- <strong>und</strong> <strong>der</strong> Endk<strong>und</strong>en setzen hier die<br />

Standards für Qualität <strong>und</strong> Produktivität. Die Craemer<br />

Gruppe fungiert <strong>in</strong> ihrem Geschäftsfeld Metallumformung<br />

als Zulieferer namhafter Automobilisten <strong>und</strong><br />

fertigt unter an<strong>der</strong>em Sitzschalen. Deren Strukturbauteile<br />

s<strong>in</strong>d im MAG (Metall Aktiv Gas)-Verfahren zu Baugruppen<br />

zu verb<strong>in</strong>den – <strong>in</strong> hoher Leistung, maximal<br />

flexibel beispielsweise für unterschiedliche Typen –<br />

<strong>und</strong> auf knapp bemessenem Raum.<br />

MODULARE ZELLE FÜGT SITZSTRUKTURELEMENTE<br />

Im Stammwerk Herzebrock-Clarholz sowie am slowakischen<br />

Standort Liptowsky Mikuláš von Craemer sammeln<br />

die Schweißexperten bereits seit 2005 gute Erfahrungen<br />

mit Roboterlösungen von ABB. Die neue modulare<br />

Zelle speziell für das Fügen <strong>der</strong> Sitzstrukturelemente<br />

arbeitet seit 2012 zur Zufriedenheit <strong>der</strong> Betreiber.<br />

Sie besteht im Wesentlichen aus e<strong>in</strong>em Gr<strong>und</strong>rahmen,<br />

dem Positionierer, <strong>der</strong> Stromquelle, e<strong>in</strong>er Brennerre<strong>in</strong>igungsstation,<br />

e<strong>in</strong>em elektrischen Rolltor mit Frequenzumrichter,<br />

Bedienfeld, Steuerschränken sowie<br />

den Robotern.<br />

Vorn <strong>in</strong> <strong>der</strong> Zelle <strong>der</strong> Paul Craemer GmbH bef<strong>in</strong>det<br />

sich e<strong>in</strong> drehbarer Werkstückpositionierer des Typs<br />

IRBP R-600 mit identischen Haltevorrichtungen auf<br />

beiden Seiten. Im h<strong>in</strong>teren Bereich arbeitet e<strong>in</strong> Roboter<br />

des Typs IRB 1600. Wenn <strong>der</strong> Bediener die zu fügenden<br />

Teile <strong>in</strong> die erste Haltevorrichtung des IRBP R-600 e<strong>in</strong>gelegt<br />

hat, werden sie <strong>in</strong>s Innere <strong>der</strong> Zelle gedreht.<br />

Während <strong>der</strong> IRB 1600 schweißt, legt <strong>der</strong> Werker die<br />

nächsten Werkstücke <strong>in</strong> die an<strong>der</strong>e Vorrichtung. „So<br />

erzielen wir e<strong>in</strong>e optimale Produktivität“, charakterisiert<br />

Fertigungsleiter Re<strong>in</strong>er Veit e<strong>in</strong>en Hauptnutzen<br />

dieser Teilautomation.<br />

E<strong>in</strong>e hohe Zuverlässigkeit <strong>und</strong> Verfügbarkeit gewährleistet<br />

die Kommunikationsschnittstelle SpeedWeldPac<br />

von ABB <strong>und</strong> SKS Weld<strong>in</strong>g Systems. SpeedWeldPac<br />

stellt die prozesstechnische E<strong>in</strong>heit zwischen Roboter<br />

<strong>und</strong> <strong>der</strong> Steuerung <strong>der</strong> Schweißstromquelle her. So<br />

empfängt beispielsweise die Steuerung <strong>der</strong> Stromquelle<br />

<strong>in</strong> Echtzeit Signale über die aktuelle Ist-Geschw<strong>in</strong>digkeit<br />

des Roboters, verarbeitet diese Information <strong>und</strong><br />

generiert im Ergebnis die automatische Regelung <strong>der</strong><br />

Parameter. E<strong>in</strong> aufwendiges Programmieren entfällt<br />

damit. Und auch bei wechselnden Geschw<strong>in</strong>digkeiten,<br />

Beschleunigungen o<strong>der</strong> Verzögerungen des Schweißbrenners<br />

ergibt sich stets e<strong>in</strong>e konstante Streckenenergie<br />

<strong>und</strong> damit e<strong>in</strong> gleichbleibendes Nahtbild an allen<br />

Punkten <strong>der</strong> Schweißverb<strong>in</strong>dung. Nur drei Tage benötigten<br />

die ABB-Experten zum Implementieren <strong>der</strong> kompletten,<br />

betriebsbereiten Zelle als Plug-and-play-Version<br />

bei Craemer.<br />

INDIVIDUALLÖSUNGEN NUR LANGFRISTIG SINNVOLL<br />

Ebenso wie bei <strong>der</strong> Paul Craemer GmbH s<strong>in</strong>d technische<br />

Qualität, Funktions- <strong>und</strong> Betriebssicherheit, e<strong>in</strong>e passende<br />

Auswahl <strong>der</strong> gewünschten Funktionen sowie<br />

ger<strong>in</strong>ger Planungs- <strong>und</strong> Projektleitungsaufwand <strong>in</strong> nahezu<br />

allen Betrieben gefragt, die <strong>in</strong> thermischen Fügeprozessen<br />

Metallteile verb<strong>in</strong>den. Das gilt im beson<strong>der</strong>en<br />

Maße für die Betreiber o<strong>der</strong> Nutzer technischer<br />

Investitionsgüter zur automatisierten Fertigung.<br />

Für das Beispiel Schweißzelle gilt ähnlich wie für vergleichbare<br />

Automationsprojekte: Individuallösungen rentieren<br />

sich nur, wenn es um das Entwickeln langfristig<br />

zu nutzen<strong>der</strong> Produktionsl<strong>in</strong>ien geht, die zum Fertigen<br />

großer Serien bestimmt s<strong>in</strong>d. Modulare Konzepte jedoch<br />

s<strong>in</strong>d von vornhere<strong>in</strong> auf vielfältige, bedarfsgerecht optimierbare<br />

Lösungen zugeschnitten. Und diese Anfor<strong>der</strong>ung<br />

entspricht zunehmend dem „Normalfall“.<br />

Die Experten von ABB unterstützen den Anwen<strong>der</strong><br />

bereits ab <strong>der</strong> Planungsphase bei <strong>der</strong> Wahl se<strong>in</strong>er „Bauste<strong>in</strong>e“<br />

zum Beispiel für die Gr<strong>und</strong>funktionen, zeigen<br />

die Alternativen auf, machen unterschiedliche Angebote<br />

transparent <strong>und</strong> unterstützen vor <strong>der</strong> Realisierung<br />

<strong>der</strong> Schweißzelle beim Entwurf des optimalen Layouts.<br />

Das umfassende Modul-Programm <strong>der</strong> Standard-<br />

Schweißzelle umfasst neben den üblichen Gr<strong>und</strong>ausstattungen<br />

auch Software, Sicherheitstechnik <strong>und</strong> Peripherie.<br />

Optional s<strong>in</strong>d auch <strong>in</strong>dividuelle Abwicklungen<br />

o<strong>der</strong> Ergänzungen möglich.<br />

SOFTWAREMODULE SORGEN FÜR FLEXIBILITÄT<br />

Weil die Schweißaufgabe <strong>und</strong> die Anfor<strong>der</strong>ungen häufig<br />

sowohl hoch komplex als auch unterschiedlich se<strong>in</strong> können,<br />

bietet ABB differenzierte, aufe<strong>in</strong>an<strong>der</strong> <strong>und</strong> auf die<br />

Hardware abgestimmte Softwaremodule. Sie arbeiten mit<br />

sämtlichen <strong>in</strong>tegrierten Softwareprodukten zusammen,<br />

gesteuert per Robotersteuerung IRC5 <strong>in</strong>klusive RobotWare.<br />

Mit ihr erreicht <strong>der</strong> Anwen<strong>der</strong> kürzeste Zykluszeiten.<br />

Die Zellenablaufsteuerung zum Öffnen <strong>und</strong> Schließen<br />

<strong>der</strong> Rolltore <strong>und</strong> das Ansteuern <strong>der</strong> Vorrichtungsspanntechnik<br />

übernimmt e<strong>in</strong>e SPS, die mit <strong>der</strong> IRC5<br />

verknüpft ist. Schnittstellen zur Kommunikation mit<br />

den gängigen automatisierbaren Schweißsystemen <strong>der</strong><br />

22<br />

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

9 / 2014


UMFORMTEILE<br />

verb<strong>in</strong>det<br />

Craemer per<br />

automatisiertem<br />

MAG-Schweißprozess<br />

zu<br />

Sitzstruktur teilen.<br />

SCHWEISSROBOTER IRB 1600: Die Kommunikationsschnittstelle<br />

SpeedWeldPac von ABB <strong>und</strong> SKS Weld<strong>in</strong>g<br />

Systems stellt die prozess technische E<strong>in</strong>heit zwischen<br />

Roboter <strong>und</strong> <strong>der</strong> Steuerung <strong>der</strong> Schweißstromquelle her.<br />

ROBOTSTUDIO: Die Software simuliert<br />

<strong>und</strong> visualisiert beispielsweise die<br />

Positionen des Brenners am Werkstück<br />

<strong>in</strong> Form von „Brenner wolken“. So kann<br />

<strong>der</strong> Anwen<strong>der</strong> sicherstellen, dass es<br />

später <strong>in</strong> <strong>der</strong> realen Anwendung zu<br />

ke<strong>in</strong>en Kollisionen kommt. Bil<strong>der</strong>: ABB<br />

ZWEISTATIONEN-<br />

POSITIONIER IRBP C:<br />

Die Koord<strong>in</strong>ierung mit<br />

den Robotern übernimmt<br />

die Robotersteuerung.<br />

führenden Hersteller bietet die IRC5. So kann <strong>der</strong> Anwen<strong>der</strong><br />

se<strong>in</strong>en Erfahrungen <strong>und</strong> Präferenzen entsprechend<br />

das bevorzugte Schweißsystem wählen. Je nach<br />

Schweißsystem beziehungsweise -hersteller lassen sich<br />

auch Funktionen wie SpeedWeldPac <strong>in</strong>tegrieren.<br />

SIMULATION SCHLIESST REALE KOLLISIONEN AUS<br />

Die Schlüsselsoftware RobotStudio begleitet den Anwen<strong>der</strong><br />

durchgängig vom Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g bis zum Fertigungsprozess.<br />

Mit ihm programmiert <strong>der</strong> Anwen<strong>der</strong><br />

offl<strong>in</strong>e am PC, auch bereits zur Planung wie zur Produktion.<br />

Beispiele s<strong>in</strong>d Zugänglichkeits- <strong>und</strong> Taktzeituntersuchungen,<br />

Vorrichtungsoptimierung, virtuelle<br />

Bauteilprogrammierung mit 1:1-Übertrag <strong>in</strong> die Steuerung<br />

IRC5 <strong>der</strong> realen Zelle. RobotStudio stellt alle Standardzellen<br />

virtuell auf dem PC dar <strong>und</strong> ermöglicht<br />

<strong>der</strong>en Simulation bis h<strong>in</strong> zur Schulung. Zu weiteren<br />

Funktionen zählen CAD-Schnittstellen zum E<strong>in</strong>lesen<br />

von Daten <strong>der</strong> Bauteile <strong>und</strong> Vorrichtungen zum Prüfen<br />

von Zugänglichkeit <strong>und</strong> Kollision. Zum Erleichtern <strong>der</strong><br />

Programmierarbeiten kann <strong>der</strong> Anwen<strong>der</strong> die Software<br />

ArcWeld<strong>in</strong>g PowerPac nutzen.<br />

RobotStudio simuliert <strong>und</strong> visualisiert beispielsweise<br />

die Positionen des Brenners am Werkstück <strong>in</strong> Form<br />

von „Brennerwolken“. So kann <strong>der</strong> Anwen<strong>der</strong> vor dem<br />

Herstellen e<strong>in</strong>er Vorrichtung <strong>in</strong> „Stahl <strong>und</strong> Eisen“ sicherstellen,<br />

dass später <strong>in</strong> <strong>der</strong> Realität ke<strong>in</strong>e Kollisionen<br />

mit Vorrichtungsaufbauten entstehen. Zudem<br />

kann er Vorrichtungsentwürfe anhand dieser Analysemethode<br />

kont<strong>in</strong>uierlich auf die Eignung für die jeweilige<br />

Anwendung überprüfen. E<strong>in</strong>e Situationsanalyse<br />

vor dem Projektbeg<strong>in</strong>n ergibt neben erheblichen Zeit<strong>und</strong><br />

Kostene<strong>in</strong>sparungen gerade <strong>in</strong> <strong>der</strong> Inbetriebnahmephase<br />

die gewünschte Sicherheit.<br />

AUTOR<br />

CHRISTIAN MICKASCH ist im Vertrieb<br />

Metallbearbeitung bei ABB Automation<br />

im Unternehmensbereich Robotics tätig.<br />

ABB Automation GmbH,<br />

Unternehmensbereich Robotics,<br />

Grüner Weg 6, D-61169 Friedberg,<br />

Tel. +49 (0) 6031 850,<br />

E-Mail: christian.mickasch@de.abb.com<br />

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

9 / 2014<br />

23


PRAXIS<br />

Maßnahmen auf dem Weg zur<br />

energieeffizienten Fabrik <strong>der</strong> <strong>Zukunft</strong><br />

Durch gezielte Beleuchtung <strong>und</strong> Abschalten von Anlagenteilen Energie sparen<br />

VERKÜRZTE PNEUMATIKSCHLÄUCHE reduzieren die ungenutzte<br />

Schlauchluft <strong>und</strong> beschleunigen die Füllung <strong>der</strong> Aktoren.<br />

AUSLEUCHTUNG DER MONTAGEMASCHINE ohne<br />

(l<strong>in</strong>ks) <strong>und</strong> mit LED-Masch<strong>in</strong>enleuchten (rechts).<br />

DER HOHE WIRKUNGSGRAD<br />

von 94 Prozent war e<strong>in</strong> Gr<strong>und</strong>,<br />

weshalb die Firma Kolbus die<br />

Qu<strong>in</strong>t-Strom versorgungen <strong>in</strong><br />

den Schaltschränken ihrer<br />

Buchb<strong>in</strong><strong>der</strong>eimasch<strong>in</strong>en e<strong>in</strong>setzt.<br />

Aufgr<strong>und</strong> steigen<strong>der</strong> Kosten für Rohstoffe <strong>und</strong> Energie<br />

sowie gesetzlicher Vorgaben gew<strong>in</strong>nen Methoden<br />

<strong>und</strong> Maßnahmen zur Erhöhung <strong>der</strong> Ressourceneffizienz<br />

stetig an Bedeutung. Die Firma Phoenix Contact<br />

spart Energie, <strong>in</strong>dem sie Druckluft <strong>in</strong> Montagemasch<strong>in</strong>en<br />

optimal e<strong>in</strong>setzt, Gebäude <strong>und</strong> Masch<strong>in</strong>en effizient<br />

beleuchtet <strong>und</strong> Anlagen beziehungsweise Anlagenteile<br />

zum Teil abschaltet.<br />

Die Energieeffizienz-Richtl<strong>in</strong>ie 2012/27/EG <strong>der</strong> Europäischen<br />

Union gibt e<strong>in</strong>e Steigerung <strong>der</strong> Energieeffizienz<br />

um 20 Prozent bis zum Jahr 2020 als Ziel vor. Alle<br />

Mitgliedsstaaten s<strong>in</strong>d aufgefor<strong>der</strong>t, e<strong>in</strong> nationales Energieeffizienz-Ziel<br />

zur Reduzierung des Energieverbrauchs<br />

bis 2020 festzulegen. Die B<strong>und</strong>esrepublik<br />

Deutschland strebt an, den Primärenergieverbrauch bis<br />

2020 um 20 Prozent gegenüber 2008 <strong>und</strong> bis 2050 um<br />

50 Prozent zu senken. Der Stromverbrauch soll bis 2020<br />

um 10 Prozent <strong>und</strong> bis 2050 um 25 Prozent verr<strong>in</strong>gert<br />

werden. Den gesetzlichen Vorgaben zur Energiee<strong>in</strong>sparung<br />

stehen Schätzungen gegenüber, dass das tatsächliche<br />

Potenzial <strong>in</strong> Industrie <strong>und</strong> Gewerbe bis zu 40<br />

Prozent beträgt. In <strong>der</strong> Europäischen Union lässt sich<br />

<strong>der</strong> Energiebedarf mit entsprechenden Effizienz-<br />

Maßnahmen bis 2050 um zwei Drittel reduzieren. Bei<br />

Phoenix Contact stehen Aktivitäten zur Erhöhung <strong>der</strong><br />

Effizienz schon seit vielen Jahren im Fokus. Die E<strong>in</strong>führung<br />

e<strong>in</strong>es Energiemanagement-Systems gemäß DIN<br />

EN ISO 50001 führt dabei zur notwendigen Transparenz<br />

<strong>und</strong> Messbarkeit <strong>der</strong> durchgeführten Schritte. Das<br />

Unternehmen entwickelt unter an<strong>der</strong>em energieeffi-<br />

24<br />

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

9 / 2014


ziente Komponenten, Masch<strong>in</strong>en <strong>und</strong> Anlagen, die es<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> eigenen Produktion e<strong>in</strong>setzt. Außerdem ist es <strong>in</strong><br />

den Bereichen Energiegew<strong>in</strong>nung <strong>und</strong> -rückgew<strong>in</strong>nung<br />

sowie Messung <strong>und</strong> Analyse von Energiebedarfen tätig.<br />

DRUCKLUFTVERBRAUCH SENKEN<br />

Die Drucklufterzeugung ist für r<strong>und</strong> sieben Prozent des<br />

<strong>in</strong>dustriellen Stromverbrauchs verantwortlich. Daher<br />

bietet sich e<strong>in</strong>e gezielte Analyse <strong>der</strong> Verwendung von<br />

Druckluft an, um E<strong>in</strong>sparpotenziale zu identifizieren.<br />

In den Montagemasch<strong>in</strong>en von Phoenix Contact wird<br />

Druckluft für unterschiedliche Aufgaben genutzt. Zur<br />

Verbesserung <strong>der</strong> Versorgung haben die Mitarbeiter<br />

zwei Ansatzpunkte herausgearbeitet. Wird <strong>der</strong> Druckverlust<br />

<strong>in</strong> den Leitungen gesenkt, kann mit e<strong>in</strong>em ger<strong>in</strong>geren<br />

Druck gearbeitet werden. E<strong>in</strong>e Verr<strong>in</strong>gerung<br />

des Volumens <strong>in</strong>nerhalb <strong>der</strong> Zuleitungen zwischen den<br />

Ventilen <strong>und</strong> pneumatischen Aktoren zieht e<strong>in</strong>e M<strong>in</strong>imierung<br />

des Luftverbrauchs pro Arbeitshub nach sich.<br />

Vor dem H<strong>in</strong>tergr<strong>und</strong> dieser Erkenntnisse s<strong>in</strong>d die<br />

Druckluft-Zuleitungen <strong>in</strong>nerhalb <strong>der</strong> Montagemasch<strong>in</strong>en<br />

verkürzt respektive als R<strong>in</strong>gleitung ausgelegt worden.<br />

Ferner haben die Mitarbeiter Querschnitts-Verr<strong>in</strong>gerungen<br />

<strong>und</strong> Kanten an den Verb<strong>in</strong>dungsstellen vermieden<br />

<strong>und</strong> so die Anschlusstechnik optimiert. Aufgr<strong>und</strong><br />

<strong>der</strong> räumlich nahen Anordnung <strong>der</strong> Ventil<strong>in</strong>seln<br />

an den Aktoren verkürzen sich die Leitungen an e<strong>in</strong>zelnen<br />

Montagestationen deutlich. So resultiert die von<br />

1,3 Meter auf 0,4 Meter reduzierte Schlauchlänge <strong>in</strong><br />

e<strong>in</strong>er Montagestation <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Verr<strong>in</strong>gerung des Luftverbrauchs<br />

von 40 Kubikzentimeter auf 12 Kubikzentimeter<br />

pro Hub. Die beschriebenen Maßnahmen s<strong>in</strong>d<br />

im ersten Schritt an drei Montagemasch<strong>in</strong>en umgesetzt<br />

worden. Im Ergebnis ist das Niveau des Versorgungsdrucks<br />

um 1 bar gesunken, während sich <strong>der</strong> Druckluft-<br />

Verbrauch <strong>der</strong> Masch<strong>in</strong>en um durchschnittlich 25 Prozent<br />

reduziert hat. Seit r<strong>und</strong> e<strong>in</strong>em Jahr werden die<br />

Erkenntnisse auf alle Montagemasch<strong>in</strong>en übertragen.<br />

So lassen sich die Energiekosten für die Druckluft-Erzeugung<br />

nachhaltig verr<strong>in</strong>gern.<br />

ANLAGEN BEDARFSGERECHT AUSLEUCHTEN<br />

Weiteres Verbesserungspotenzial liegt <strong>in</strong> <strong>der</strong> Beleuchtung<br />

von Produktionsbereichen, was bislang an <strong>der</strong><br />

Hallendecke angebrachte Leuchtstoffröhren übernehmen.<br />

In den Montageanlagen werden nur Handarbeitsplätze<br />

separat beleuchtet, um e<strong>in</strong> ergonomisches Arbeiten<br />

sicherzustellen. Wegen <strong>der</strong> <strong>und</strong>ifferenzierten Ausleuchtung<br />

<strong>der</strong> gesamten Fertigung gibt es viele Bereiche,<br />

<strong>in</strong> denen die Beleuchtung stärker als erfor<strong>der</strong>lich ist,<br />

woh<strong>in</strong>gegen <strong>in</strong>nerhalb <strong>der</strong> Masch<strong>in</strong>en ke<strong>in</strong>e optimalen<br />

Lichtverhältnisse für E<strong>in</strong>richt- <strong>und</strong> Entstörarbeiten vorliegen.<br />

Deshalb s<strong>in</strong>d <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Pilotbereich gezielt Maßnahmen<br />

realisiert worden, damit <strong>der</strong> entsprechende<br />

Energiebedarf s<strong>in</strong>kt <strong>und</strong> die Ausleuchtung <strong>der</strong> Masch<strong>in</strong>en<br />

gleichzeitig optimiert wird.<br />

Im Pilotbereich waren bisher 18 Leuchtstoffröhren<br />

mit jeweils 70 Watt Leistung <strong>und</strong> e<strong>in</strong>er Lichtausbeute<br />

von 79 Lumen pro Watt <strong>in</strong>stalliert. Mittlerweile s<strong>in</strong>d die<br />

Hälfte <strong>der</strong> Leuchtstoffröhren abgeschaltet sowie die<br />

Masch<strong>in</strong>en mit sechs LED-Leuchten <strong>der</strong> unternehmenseigenen<br />

Produktfamilie PLD mit jeweils 21 Watt Leistung<br />

bei e<strong>in</strong>er Lichtausbeute von 86 Lumen pro Watt<br />

ausgerüstet worden. Daraus ergibt sich e<strong>in</strong>e Verr<strong>in</strong>gerung<br />

<strong>der</strong> elektrischen Leistung für die Beleuchtung um<br />

r<strong>und</strong> 500 Watt. Gleichzeitig lässt sich die e<strong>in</strong>gesetzte<br />

Beleuchtung zielgerichtet nutzen. Während die Deckenlampen<br />

bis dato e<strong>in</strong>e e<strong>in</strong>heitliche Beleuchtungsstärke<br />

von etwa 500 Lux bereitstellten, wird <strong>der</strong> Fußboden jetzt<br />

lediglich mit 300 Lux ausgeleuchtet. Die relevanten Bereiche<br />

<strong>in</strong>nerhalb <strong>der</strong> Masch<strong>in</strong>e weisen h<strong>in</strong>gegen 1000<br />

Lux <strong>und</strong> die Handarbeitsplätze 1400 Lux auf. Auf diese<br />

Weise haben sich <strong>der</strong> Bedienkomfort <strong>und</strong> die Möglichkeiten<br />

<strong>der</strong> Prozessüberwachung verbessert. Da die LED-<br />

Beleuchtung steuerbar ist, können bestimmte Anlagenteile<br />

im Fall e<strong>in</strong>er Störung gezielt ausgeleuchtet werden.<br />

Im Normalbetrieb genügt dann e<strong>in</strong>e ger<strong>in</strong>ge Licht<strong>in</strong>tensität<br />

o<strong>der</strong> die LED-Leuchten s<strong>in</strong>d komplett abgeschaltet.<br />

Unter Berücksichtigung des Investitionsvolumens für<br />

die LED-Leuchten <strong>und</strong> des Energiebedarfs für <strong>der</strong>en<br />

Betrieb sowie <strong>der</strong> Energiee<strong>in</strong>sparung durch die reduzierte<br />

Deckenbeleuchtung amortisieren sich die Verbesserungsmaßnahmen<br />

nach ungefähr vier Jahren. Darüber<br />

h<strong>in</strong>aus zeichnen sich die LED-Leuchten mit e<strong>in</strong>er Lebensdauer<br />

von 50 000 St<strong>und</strong>en durch e<strong>in</strong>e sechsmal<br />

längere E<strong>in</strong>satzzeit als Leuchtstoffröhren aus. Neben<br />

den Energiekosten s<strong>in</strong>kt somit auch <strong>der</strong> Aufwand für<br />

die Wartung <strong>und</strong> Instandhaltung deutlich.<br />

ANTRIEBSKONZEPT DIMENSIONIEREN<br />

E<strong>in</strong>e Voraussetzung für den energieeffizienten Betrieb<br />

von Masch<strong>in</strong>en <strong>und</strong> Anlagen ist, sparsame Komponenten<br />

zu verwenden. Geräte mit hohem Wirkungsgrad<br />

können im Bereich <strong>der</strong> Steuerungs- <strong>und</strong> Antriebstechnik<br />

beim Sparen helfen. Bei Phoenix Contact achten die<br />

Entwickler von Elektronikgeräten daher beson<strong>der</strong>s darauf,<br />

dass optimal dimensionierte sowie effiziente Bauteile<br />

<strong>und</strong> -gruppen e<strong>in</strong>gesetzt werden. Auf diese Weise<br />

lässt sich <strong>der</strong> Wirkungsgrad beispielsweise <strong>der</strong> Stromversorgungen<br />

Qu<strong>in</strong>t Power steigern.<br />

Der unternehmenseigene Masch<strong>in</strong>enbau leistet ebenfalls<br />

e<strong>in</strong>en wichtigen Beitrag im H<strong>in</strong>blick auf e<strong>in</strong>e energieeffiziente<br />

Produktion. Speziell im Bereich <strong>der</strong> Antriebstechnik<br />

ergeben sich hier bei den Montagemasch<strong>in</strong>en<br />

Ansatzpunkte. Dabei kommt <strong>der</strong> Auswahl des<br />

bestmöglichen Antriebskonzepts e<strong>in</strong>e große Bedeutung<br />

zu. So muss bei <strong>der</strong> Entscheidung zwischen pneumatischen<br />

<strong>und</strong> elektrischen Achsen beachtet werden, dass<br />

elektrische Antriebe Energie für die Beschleunigung<br />

<strong>und</strong> Verzögerung benötigen, woh<strong>in</strong>gegen <strong>der</strong> Verfahrweg<br />

e<strong>in</strong>e untergeordnete Rolle spielt. Bei pneumatischen<br />

Antrieben ist <strong>der</strong> Druckluft- <strong>und</strong> damit <strong>der</strong><br />

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

9 / 2014<br />

25


PRAXIS<br />

VERGLEICH DES<br />

TAGESENERGIE-<br />

BEDARFS zwischen<br />

pneumatischen <strong>und</strong><br />

elektrischen Achsen.<br />

TYPISCHE<br />

WIRKUNGSGRADE<br />

(Quelle: Fraunhofer ISI)<br />

<strong>und</strong> Leistungsaufnahmen<br />

verschiedener<br />

Motortypen bei 63 Watt<br />

Antriebsleistung.<br />

EXEMPLARISCHE LEISTUNGSAUFNAHME<br />

e<strong>in</strong>er Montagemasch<strong>in</strong>e. Bil<strong>der</strong>: Phoenix Contact<br />

Energiebedarf h<strong>in</strong>gegen proportional vom Verfahrweg<br />

abhängig. Untersuchungen belegen, dass bei e<strong>in</strong>em Verfahrweg<br />

von 5 Millimetern e<strong>in</strong> Pneumatikzyl<strong>in</strong><strong>der</strong> kostengünstiger<br />

betrieben werden kann. Beträgt <strong>der</strong> Verfahrweg<br />

50 Millimeter, ist e<strong>in</strong> elektrischer Antrieb zu<br />

bevorzugen. Bei <strong>der</strong> Auswahl elektrischer Antriebe<br />

müssen die unterschiedlichen Wirkungsgrade <strong>der</strong> verschiedenen<br />

Motortypen berücksichtigt werden. Ist beispielsweise<br />

e<strong>in</strong> Drehmoment von 0,2 Newtonmeter bei<br />

e<strong>in</strong>er Drehzahl von 3000 Umdrehungen pro M<strong>in</strong>ute <strong>und</strong><br />

folglich 63 Watt Leistung an <strong>der</strong> Antriebswelle bereitzustellen,<br />

ergibt sich die elektrische Leistung <strong>in</strong> hohem<br />

Maße aus dem Typ des genutzten Motors.<br />

Die verbauten Getriebe bee<strong>in</strong>flussen die Energieeffizienz<br />

ebenso erheblich. Bei För<strong>der</strong>band-Antrieben können<br />

Stirnradgetriebe aufgr<strong>und</strong> ihres höheren Wirkungsgrads<br />

bis zu 20 Prozent mehr Leistung als Schneckengetriebe<br />

liefern. Werden für Handhabungsaufgaben<br />

Roboter e<strong>in</strong>gesetzt, sollten die bewegten Massen<br />

möglichst ger<strong>in</strong>g <strong>und</strong> somit die Abmessungen des Roboters<br />

sowie die Masse <strong>der</strong> Greifer optimal dimensioniert<br />

se<strong>in</strong>. Als Verfahrstrategie ist statt e<strong>in</strong>er L<strong>in</strong>iene<strong>in</strong>e<br />

Punkt-zu-Punkt-Bewegung zu präferieren, um den<br />

Energiebedarf für die Beschleunigung <strong>der</strong> verschiedenen<br />

Achsen zu m<strong>in</strong>imieren. Sowohl bei Servoantrieben<br />

als auch Roboterachsen sollten Stillstands-Drehmomente<br />

auf das erfor<strong>der</strong>liche M<strong>in</strong>imum abgesenkt<br />

werden. Außerdem bietet die komplette Abschaltung<br />

von Antrieben, die für e<strong>in</strong>en gewissen Zeitraum nicht<br />

benötigt werden, deutliches E<strong>in</strong>sparpotenzial.<br />

ANLAGENTEILE ZIELGERICHTET ABSCHALTEN<br />

Als weitere Möglichkeit zur Energiee<strong>in</strong>sparung <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />

Produktion ist das Abschalten aktuell nicht für die Fertigung<br />

notwendiger Anlagenkomponenten mittels e<strong>in</strong>er<br />

<strong>in</strong>telligenten Standby-Funktion zu nennen. Aus dem<br />

exemplarischen Verlauf <strong>der</strong> Leistungsaufnahme e<strong>in</strong>er<br />

Montagemasch<strong>in</strong>e lässt sich ersehen, dass sie selbst<br />

dann r<strong>und</strong> 2000 Watt aufnimmt, wenn sie gar nicht <strong>in</strong><br />

Betrieb ist. Dies wird durch Komponenten wie Netzteile,<br />

Steuerungen, Bildschirme <strong>und</strong> die Antriebselektronik<br />

hervorgerufen. Die Leistungsaufnahme liegt bei<br />

etwa 2500 Watt, sobald die Schw<strong>in</strong>gför<strong>der</strong>er für die<br />

Zuführung von Kunststoff- <strong>und</strong> Metalle<strong>in</strong>zelteilen e<strong>in</strong>geschaltet<br />

werden. Während des Herstellungsprozesses<br />

erhöht sich die Leistungsaufnahme im Mittel auf ungefähr<br />

3000 Watt, wobei wegen <strong>der</strong> zeitlichen Überlagerung<br />

unterschiedlicher Montageprozesse Leistungsspitzen<br />

bis 6000 Watt auftreten. Der Leistungsverlauf<br />

zeigt das E<strong>in</strong>sparpotenzial während des Masch<strong>in</strong>enstillstands<br />

auf. Liegt also e<strong>in</strong>e längere Produktionsunterbrechung<br />

vor – beispielsweise durch e<strong>in</strong>e geplante<br />

Pause –, kann die Leerlaufleistung durch das gezielte<br />

Abschalten leistungs<strong>in</strong>tensiver Masch<strong>in</strong>enkomponenten<br />

erheblich verr<strong>in</strong>gert werden.<br />

Derzeit arbeitet Phoenix Contact an <strong>der</strong> Umsetzung<br />

e<strong>in</strong>er Steuerungslösung, die e<strong>in</strong> solches zielgerichtetes<br />

Abschalten (<strong>in</strong>telligentes Standby) ermöglicht. Während<br />

<strong>der</strong> Pausen <strong>und</strong> <strong>in</strong> produktionsfreien Zeiten schaltet<br />

die SPS alle Anlagenkomponenten so weit aus, dass<br />

die verbleibende Leistungsaufnahme nur noch 5 Watt<br />

beträgt. Das Abschalten erfolgt entwe<strong>der</strong> durch e<strong>in</strong>en<br />

Knopfdruck des Bedieners o<strong>der</strong> automatisch nach e<strong>in</strong>er<br />

e<strong>in</strong>stellbaren Zeit, wenn e<strong>in</strong> Fertigungsauftrag fehlt<br />

o<strong>der</strong> unterbrochen wurde. Das Wie<strong>der</strong>e<strong>in</strong>schalten geschieht<br />

ebenfalls manuell per Knopfdruck o<strong>der</strong> zu<br />

e<strong>in</strong>em festgelegten Zeitpunkt, beispielsweise zu<br />

Schichtbeg<strong>in</strong>n o<strong>der</strong> nach e<strong>in</strong>er def<strong>in</strong>ierten Pausenzeit.<br />

In Anlehnung an das Profienergy-Profil sorgt e<strong>in</strong>e zentral<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> Montagemasch<strong>in</strong>e <strong>in</strong>stallierte Steuerung für<br />

26<br />

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

9 / 2014


das geregelte Herunterfahren <strong>der</strong> SPS <strong>der</strong> verschiedenen<br />

Masch<strong>in</strong>enteile. Außerdem trennt sie die nicht<br />

mit e<strong>in</strong>er Prof<strong>in</strong>et- o<strong>der</strong> Ethernet-Schnittstelle ausgestatteten<br />

Geräte von <strong>der</strong> Netzspannung. Ferner lässt<br />

sich die Hallenbeleuchtung reduzieren, sobald sämtliche<br />

Masch<strong>in</strong>en e<strong>in</strong>es festgelegten Hallenbereichs <strong>in</strong><br />

den Standby-Zustand versetzt wurden.<br />

Auf dem Weg zur energieeffizienten Fabrik <strong>der</strong> <strong>Zukunft</strong><br />

hat Phoenix Contact bereits <strong>in</strong> unterschiedlichen<br />

Bereichen erfolgreich Maßnahmen durchgeführt. Neben<br />

<strong>der</strong> Fortsetzung laufen<strong>der</strong> Aktivitäten <strong>und</strong> <strong>der</strong> Realisierung<br />

<strong>der</strong> <strong>in</strong>telligenten Standby-Funktion für Montagemasch<strong>in</strong>en<br />

s<strong>in</strong>d weitere Aktionen geplant. Ist zum<br />

Beispiel <strong>der</strong> Energiebedarf <strong>der</strong> verschiedenen Produktionsanlagen<br />

<strong>und</strong> -prozesse transparent erfasst worden,<br />

werden die entsprechenden Kosten bei <strong>der</strong> TCO-Berechnung<br />

berücksichtigt, damit sich energiebezogene<br />

Investitionsentscheidungen treffen lassen. Großes Potenzial<br />

ergibt sich zudem durch e<strong>in</strong>e Vernetzung von<br />

MES-System sowie Gebäude- <strong>und</strong> Energiemanagement.<br />

Zum e<strong>in</strong>en ist e<strong>in</strong>e von <strong>der</strong> aktuellen Fertigungssituation<br />

abhängige Verr<strong>in</strong>gerung des Energiebedarfs bestimmter<br />

Gebäudeteile durch das Abschalten von Licht,<br />

Druckluft <strong>und</strong> Kühlwasser denkbar. An<strong>der</strong>erseits können<br />

die durch variable Stromtarife verän<strong>der</strong>lichen Energiekosten<br />

als weiteres Kriterium bei <strong>der</strong> Planung <strong>der</strong><br />

Produktionsaufträge herangezogen werden.<br />

Die passende Füllstand- <strong>und</strong> Druckmesstechnik<br />

können Sie lange suchen ...<br />

AUTOREN<br />

... o<strong>der</strong> schnell f<strong>in</strong>den.<br />

FRIEDRICH CAPELLE ist<br />

Fachleiter Automation<br />

bei Phoenix Contact<br />

GmbH & Co. KG <strong>in</strong><br />

Blomberg.<br />

Das E<strong>in</strong>facher-ist-besser-Pr<strong>in</strong>zip<br />

von VEGA.<br />

Dr.-Ing. ANDREAS<br />

SCHREIBER ist Abteilungsleiter<br />

Industrial<br />

Auto mation bei Phoenix<br />

Contact GmbH & Co. KG<br />

<strong>in</strong> Blomberg.<br />

Phoenix Contact GmbH & Co. KG,<br />

Flachsmarktstraße 8, D-32825 Blomberg,<br />

E-Mail: aschreiber@phoenixcontact.com,<br />

fcapelle@phoenixcontact.com<br />

VEGA hat das „E<strong>in</strong>facher-ist-besser“-Pr<strong>in</strong>zip konsequent<br />

zu Ende gedacht. Die Geräteplattform plics ® löst alle<br />

Messaufgaben r<strong>und</strong> um Füllstand <strong>und</strong> Druck, <strong>und</strong> dies<br />

seit 10 Jahren.<br />

9 leichte Geräteauswahl 9 e<strong>in</strong>fache Inbetriebnahme<br />

9 schnelle Lieferung 9 sicherer Betrieb<br />

9 k<strong>in</strong><strong>der</strong>leichte Montage 9 schneller Service<br />

www.vega.com/plics


HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2014<br />

<strong>Wasser</strong> <strong>und</strong> <strong>Abwasser</strong> <strong>in</strong><br />

<strong>Megastädten</strong> <strong>der</strong> <strong>Zukunft</strong><br />

Semizentrale Systeme für die Ver- <strong>und</strong> Entsorgung<br />

Dieser Beitrag befasst sich mit dem Konzept semizentraler Ver- <strong>und</strong> Entsorgungssysteme,<br />

das es ermöglicht, die Herausfor<strong>der</strong>ungen <strong>der</strong> <strong>Wasser</strong>ver- <strong>und</strong> <strong>Abwasser</strong>entsorgung<br />

<strong>in</strong> <strong>Megastädten</strong> zu lösen. Das Konzept basiert auf <strong>der</strong> Idee, Abfallstoffe,<br />

wie Schmutzwasser <strong>und</strong> organische Abfälle, als Wertstoff zu betrachten <strong>und</strong> durch<br />

energetische Verwertung sowie durch Ressourcenwie<strong>der</strong>verwendung den Energie<strong>und</strong><br />

Stoffkreislauf zu schließen. Die Autoren stellen die beson<strong>der</strong>en Merkmale semizentraler<br />

<strong>in</strong>tegrierter Ver- <strong>und</strong> Entsorgungssysteme vor <strong>und</strong> betrachten entstehende<br />

Anfor<strong>der</strong>ungen an die MSR-Technik <strong>und</strong> die Prozessautomatisierung.<br />

SCHLAGWÖRTER Semizentrale Ver- <strong>und</strong> Entsogungssysteme / Megastädte /<br />

<strong>Wasser</strong>wie<strong>der</strong>verwendung<br />

Water and Wastewater Management <strong>in</strong> Mega Cities –<br />

Semi-Centralized Supply and Treatment Systems<br />

Semi-centralized systems can offer a way of meet<strong>in</strong>g the challenges of water supplies<br />

and wastewater treatment <strong>in</strong> mega cities. Waste flows like grey water, black water<br />

and organic waste are regarded as reusable resources and the concept closes the<br />

cycles of material and energy flow by waste recycl<strong>in</strong>g and biogas production. The<br />

article presents the specific features of semi-centralized <strong>in</strong>tegrated supply and treatment<br />

systems and exam<strong>in</strong>es demands on the measurement and control technology<br />

and process automation.<br />

KEYWORDS Semi-centralized supply and treatment systems / mega cities /<br />

water reuse<br />

28<br />

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

9 / 2014


ACHIM GAHR, Endress+Hauser Conducta<br />

CHRISTIAN WOLF, PETER KERN, Fachhochschule Köln<br />

Rasches Wirtschaftswachstum <strong>und</strong> zunehmende<br />

Urbanisierung stellen vor allem Großstädte<br />

vor immer größere Schwierigkeiten bei<br />

<strong>der</strong> <strong>Abwasser</strong>entsorgung <strong>und</strong> Abfallbe -<br />

sei tigung sowie <strong>der</strong> <strong>Wasser</strong>- <strong>und</strong> Ener gieversorgung.<br />

Vielerorts s<strong>in</strong>d lokale <strong>Wasser</strong>ressourcen<br />

knapp <strong>und</strong> herkömmliche zentrale Ver- <strong>und</strong> Entsorgungssysteme<br />

sowie bestehende Infrastrukturen können<br />

nicht an das dynamische Städtewachstum angepasst<br />

werden. Außerdem stellen die zunehmenden<br />

Mengen des Klärschlamms e<strong>in</strong>e große Herausfor<strong>der</strong>ung<br />

dar. Wirtschaftsboom <strong>und</strong> Urbanisierung wirken sich<br />

vor allem <strong>in</strong> Asien nachteilig auf die Sicherstellung <strong>der</strong><br />

Tr<strong>in</strong>kwasserversorgung, die <strong>Abwasser</strong>re<strong>in</strong>igung <strong>und</strong><br />

die Abfallbehandlung aus.<br />

Als Lösung dieser Herausfor<strong>der</strong>ungen wurde am Institut<br />

IWAR des Fachgebietes <strong>Abwasser</strong>technik <strong>der</strong><br />

Technischen Universität Darmstadt das Konzept Semizentral<br />

<strong>in</strong> mehrjähriger Projektarbeit bis zur Umsetzungsreife<br />

entwickelt. Mittlerweile ist es zu e<strong>in</strong>er ökonomisch<br />

wie ökologisch tragfähigen <strong>Zukunft</strong>stechnologie<br />

gereift. Sie ermöglicht mit <strong>der</strong> Implementierung<br />

geeigneter MSR-Technik den Aufbau flexibler <strong>und</strong><br />

hocheffizienter Ver- <strong>und</strong> Entsorgungssysteme für <strong>Wasser</strong>,<br />

<strong>Abwasser</strong>, Abfall <strong>und</strong> Klärschlamm.<br />

1. DAS KONZEPT SEMIZENTRAL<br />

Das <strong>in</strong> Bild 1 illustrierte Konzept basiert auf <strong>der</strong> Idee,<br />

die <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Siedlungsgebiet anfallenden Abfälle <strong>und</strong><br />

<strong>Abwasser</strong>ströme als Wertstoffe zu betrachten <strong>und</strong> durch<br />

Wie<strong>der</strong>verwendung dem Ressourcenkreislauf wie<strong>der</strong><br />

zuzuführen. Zu diesem Zweck werden das Grauwasser<br />

(<strong>Abwasser</strong>ströme von Duschen, Waschbecken <strong>und</strong><br />

Waschmasch<strong>in</strong>en) <strong>und</strong> das Schwarzwasser (Toilettenabwasser)<br />

durch getrennte Entsorgungsnetze erfasst,<br />

abgeleitet <strong>und</strong> <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Ver- <strong>und</strong> Entsorgungszentrum<br />

(VEZ) <strong>in</strong> parallelen Aufbereitungsmodulen behandelt.<br />

Das Grauwasser wird nach mechanischer Vorre<strong>in</strong>igung<br />

mit Hilfe <strong>der</strong> MBR-Verfahrenstechnik zu Brauchwasser<br />

aufbereitet <strong>und</strong> anschließend den Wohne<strong>in</strong>heiten<br />

im Siedlungsgebiet zur Toilettenspülung, gegebenenfalls<br />

auch für Re<strong>in</strong>igungs- o<strong>der</strong> Bewässerungszwecke<br />

zur Verfügung gestellt. Daher wird <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em<br />

letzten Re<strong>in</strong>igungsschritt das aufbereitete Grauwasser<br />

<strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Des<strong>in</strong>fektionsstufe des<strong>in</strong>fiziert. Abschließend<br />

ist e<strong>in</strong> Auslaufbehälter als Pumpenvorlage nachgeschaltet,<br />

aus dem das gere<strong>in</strong>igte Grauwasser entnommen<br />

<strong>und</strong> <strong>in</strong> das Brauchwassernetz gespeist wird. Durch<br />

die Rückführung des aufbereiteten Grauwassers s<strong>in</strong>kt<br />

<strong>der</strong> häusliche Tr<strong>in</strong>kwasserbedarf um m<strong>in</strong>destens 30 %.<br />

In e<strong>in</strong>em parallel verlaufenden Prozess f<strong>in</strong>det die Aufbereitung<br />

des Schwarzwassers statt. Das Aufbereitungsmodul<br />

umfasst neben e<strong>in</strong>er mechanischen Vorre<strong>in</strong>igung<br />

<strong>und</strong> Vorklärung als wesentlichen Verfahrensschritt das<br />

Sequenc<strong>in</strong>g-Batch-Reactor-Verfahren (SBR). Es ist aufgr<strong>und</strong><br />

<strong>der</strong> hohen Schmutzfracht s<strong>in</strong>nvoll <strong>und</strong> ermöglicht<br />

den Abbau von Kohlenstoffverb<strong>in</strong>dungen sowie<br />

von Phosphor- <strong>und</strong> Stickstoffverb<strong>in</strong>dungen.<br />

Zusätzlich werden im VEZ die festen Bioabfälle aus<br />

dem Siedlungsgebiet zusammen mit dem Klärschlamm,<br />

<strong>der</strong> bei <strong>der</strong> Grau- <strong>und</strong> Schwarzwasserbehandlung anfällt,<br />

thermophil behandelt. Dadurch entsteht Biogas, das zur<br />

Eigenenergieerzeugung verstromt wird <strong>und</strong> unter Idealbed<strong>in</strong>gungen<br />

e<strong>in</strong>en energieautarken Betrieb des VEZ<br />

ermöglicht. So wird die Abhängigkeit von Primärenergie,<br />

die meist aus fossilen Ressourcen stammt, m<strong>in</strong>imiert.<br />

Der durch die Vergärung entstehende Gärrest ist<br />

hochwertig (Biosolids) <strong>und</strong> kann als Bodenverbesserer<br />

kommerziell genutzt werden, sodass auf e<strong>in</strong>e Deponierung<br />

des Klärschlamms sowie des Bioabfalls verzichtet<br />

werden kann. Die nährstoffreichen Stoffe werden <strong>in</strong><br />

den natürlichen Kreislauf zurückgeführt.<br />

Aus dem semizentralen Konzept leiten sich Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

ab, die im Falle e<strong>in</strong>er konkreten Umsetzung an<br />

die Verfahrenstechnik <strong>und</strong> die Infrastruktur gestellt<br />

werden müssen <strong>und</strong> zu berücksichtigen s<strong>in</strong>d:<br />

getrennte Leitungen für Grau- <strong>und</strong> Schwarzwasser,<br />

also ke<strong>in</strong>e Mischkanalisation<br />

separates Leitungsnetz für das Brauchwasser<br />

Errichtung im Siedlungsgebiet für e<strong>in</strong>e kostengünstige<br />

<strong>und</strong> e<strong>in</strong>fache Infrastruktur (beispielsweise<br />

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

9 / 2014<br />

29


HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2014<br />

Siedlungsgebiet<br />

Ver- <strong>und</strong> Entsorgungszentrum<br />

(VEZ)<br />

Onl<strong>in</strong>e-<br />

Messtechnik<br />

Leitungswasser<br />

Brauchwasser<br />

BILD 1: Schematische<br />

Darstellung <strong>der</strong><br />

<strong>in</strong>tegrierten Abfall<strong>und</strong><br />

Klärschlammbehandlung<br />

<strong>in</strong>nerhalb<br />

des semizentralen<br />

Ver- <strong>und</strong> Entsorgungssystems,<br />

<strong>in</strong> Anlehnung an [1]<br />

Grauwasser<br />

Bioabfälle<br />

Schwarzwasser<br />

Klärschlamm<br />

Klärschlamm<br />

Abfall- <strong>und</strong> Klärschlammbehandlung<br />

Grauwasserre<strong>in</strong>igung<br />

Schwarzwasserre<strong>in</strong>igung<br />

Energie<br />

Energie<br />

Energie<br />

Biosolids<br />

Reststoffe<br />

Regelung<br />

Dynamische<br />

Simulation<br />

analyse<br />

Prozessoptimierung<br />

erfassung<br />

Daten-<br />

Daten-<br />

BILD 2: Voraussetzungen für<br />

e<strong>in</strong>en optimalen Anlagenbetrieb<br />

e<strong>in</strong>fache Leitungsführung <strong>und</strong> kurze Leitungen für<br />

das Brauchwasser)<br />

Integration <strong>in</strong> das Stadtbild, folglich Unterbr<strong>in</strong>gung<br />

<strong>der</strong> Verfahrenstechnik im Gebäude<br />

kompakte Bauweise (zum Beispiel doppelstöckig)<br />

M<strong>in</strong>imierung <strong>der</strong> Gas- <strong>und</strong> Geräuschemissionen<br />

parallele Aufbereitungsmodule für Grau- <strong>und</strong><br />

Schwarzwasser<br />

übertragbare <strong>und</strong> erweiterbare Verfahrenstechnik<br />

2. UMSETZUNG DES KONZEPTES<br />

Das Konzept Semizentral wird mit e<strong>in</strong>em aktuellen<br />

Verb<strong>und</strong>vorhaben mit <strong>der</strong> Realisierung e<strong>in</strong>es semizentralen<br />

Ver- <strong>und</strong> Entsorgungssystems <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em neuen<br />

Siedlungsgebiet auf dem Gelände <strong>der</strong> diesjährigen Weltgartenbauausstellung<br />

(World Horticulture Exhibition,<br />

WHE) <strong>in</strong> Q<strong>in</strong>gdao, Ch<strong>in</strong>a, erstmals umgesetzt. Anlässlich<br />

<strong>der</strong> WHE wurde die Referenzanlage am 27. April<br />

2014 eröffnet.<br />

Das <strong>in</strong> zwei Phasen geteilte Verb<strong>und</strong>projekt Ressourceneffiziente<br />

<strong>und</strong> flexible Ver- <strong>und</strong> Entsorgungs<strong>in</strong>frastruktursysteme<br />

für schnell wachsende Städte <strong>der</strong> <strong>Zukunft</strong><br />

wird vom B<strong>und</strong>esm<strong>in</strong>isterium für Forschung <strong>und</strong><br />

Bildung (BMBF) im Rahmen des För<strong>der</strong>programms<br />

Client Ch<strong>in</strong>a geför<strong>der</strong>t. Die Zielsetzung umfasst die<br />

Anpassung des semizentralen Konzeptes an die realen<br />

Rahmenbed<strong>in</strong>gungen des Standortes sowie die Umsetzung<br />

im Realmaßstab <strong>und</strong> die Validierung, Optimierung<br />

<strong>und</strong> Weiterentwicklung des Ansatzes. Das Projektkonsortium<br />

ist e<strong>in</strong> Forschungsverb<strong>und</strong> aus zahlreichen<br />

deutschen <strong>und</strong> ch<strong>in</strong>esischen Kooperationspartnern<br />

aus Forschung, Lehre <strong>und</strong> Industrie.<br />

Im Rahmen des Projektes ist Endress+Hauser maßgeblich<br />

an <strong>der</strong> Prozessautomatisierung <strong>und</strong> Qualitätssicherung<br />

beteiligt <strong>und</strong> beschäftigt sich dabei mit prozessanalytischen<br />

<strong>und</strong> regelungstechnischen Fragestellungen<br />

von Stoff- <strong>und</strong> Energieströmen <strong>in</strong>nerhalb des<br />

VEZ sowie mit <strong>der</strong> Qualitätsüberwachung des produzierten<br />

Brauchwassers im Verteilnetz. Dabei besteht<br />

e<strong>in</strong>e enge Zusammenarbeit mit <strong>der</strong> Forschungsgruppe<br />

Gummersbach Environmental Comput<strong>in</strong>g Center (Gecoc)<br />

<strong>der</strong> Fachhochschule Köln, die ebenfalls Projektpartner<br />

im Projektkonsortium ist. Gecoc übernimmt<br />

die Regelung <strong>und</strong> Optimierung <strong>der</strong> anaeroben Vergärung<br />

von Schlämmen aus <strong>der</strong> <strong>Abwasser</strong>behandlung des<br />

VEZ sowie von Speiseresten aus den umliegenden Hotels<br />

<strong>und</strong> beschäftigt sich ferner mit <strong>der</strong> Entwicklung<br />

von Soft-Sensoren, die es ermöglichen, aus Standardmessgrößen<br />

komplexe Prozessvariablen zu bestimmen.<br />

3. INSTRUMENTIERUNG UND ANFORDERUNGEN<br />

Die MSR-Technik auf <strong>Abwasser</strong>- <strong>und</strong> Wertstofferschließungsanlagen<br />

dient <strong>der</strong> Prozessüberwachung, <strong>der</strong> Prozesssicherung,<br />

<strong>der</strong> Prozessführung <strong>und</strong> <strong>der</strong> Prozessregelung.<br />

Weitere Aufgaben <strong>der</strong> Leit- <strong>und</strong> Automatisierungstechnik<br />

s<strong>in</strong>d das Bedienen <strong>und</strong> Beobachten <strong>der</strong><br />

Anlage, die Grenzwertüberwachung <strong>und</strong> Alarmbehandlung<br />

sowie die systematisierte Dokumentation<br />

gemäß den e<strong>in</strong>schlägigen regulatorischen Anfor<strong>der</strong>ungen.<br />

Mit <strong>der</strong> Darstellung von Prozesszuständen <strong>und</strong> <strong>der</strong><br />

Ermittlung sowie Bewertung von geeigneten Kennzahlen<br />

wird e<strong>in</strong> besseres Verständnis von betrieblichen<br />

Zusammenhängen <strong>und</strong> ihrem dynamischen Verhalten<br />

ermöglicht. Allerd<strong>in</strong>gs s<strong>in</strong>d für die Prozessoptimierung,<br />

wie <strong>in</strong> Bild 2 schematisiert, neben <strong>der</strong> Datenerfassung<br />

zusätzliche Schritte wie die Datenanalyse <strong>und</strong><br />

die dynamische Simulation erfor<strong>der</strong>lich. Die Zielsetzungen<br />

<strong>der</strong> Prozessoptimierung bestehen dar<strong>in</strong>,<br />

die Anlageneffizienz zu erhöhen (zum Beispiel<br />

hohe Energieeffizienz bei hohem Wirkungsgrad <strong>der</strong><br />

Abfallbeseitigung <strong>und</strong> <strong>Abwasser</strong>re<strong>in</strong>igung),<br />

die Kosten zu optimieren <strong>und</strong> den Arbeitsaufwand<br />

zu reduzieren,<br />

30<br />

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

9 / 2014


die Betriebssicherheit <strong>und</strong> die Prozessstabilität zu<br />

steigern,<br />

die betrieblichen <strong>und</strong> gesetzlichen Qualitätsanfor<strong>der</strong>ungen<br />

zu jedem Zeitpunkt e<strong>in</strong>zuhalten o<strong>der</strong><br />

die Betriebszustände <strong>der</strong> Verfahrensmodule <strong>und</strong> des<br />

VEZ e<strong>in</strong>fach zu visualisieren.<br />

E<strong>in</strong>e <strong>der</strong> wesentlichen Voraussetzungen für e<strong>in</strong>en automatisierten<br />

<strong>und</strong> optimal geregelten Betrieb des VEZ ist<br />

<strong>der</strong> E<strong>in</strong>satz geeigneter Prozessmesstechnik an Messorten,<br />

die für den Prozess repräsentativ s<strong>in</strong>d. Aus Sicht des<br />

Betreibers des VEZ werden an die Analysenmesstechnik<br />

gr<strong>und</strong>legende Anfor<strong>der</strong>ungen gestellt:<br />

wartungsarm<br />

platzsparend<br />

möglichst reagenzienfrei<br />

möglichst ke<strong>in</strong>e o<strong>der</strong> vollautomatische Probenaufbereitung<br />

Installation möglichst direkt im Prozess (<strong>in</strong> situ)<br />

Die Messtechnik sowie die Konzepte zur Steuerung <strong>und</strong><br />

Regelung müssen außerdem an die Gegebenheiten des<br />

VEZ adaptiert <strong>und</strong> entsprechend <strong>der</strong> modularen Bau- <strong>und</strong><br />

Verfahrensweise auf die e<strong>in</strong>zelnen Prozessschritte ausgelegt<br />

se<strong>in</strong>. Dabei verfügt jedes <strong>der</strong> folgenden Module über<br />

e<strong>in</strong>e e<strong>in</strong>gangsseitige Sammelvorrichtung, die von Pumpen<br />

bedient wird, <strong>und</strong> über Messe<strong>in</strong>richtungen zur Bestimmung<br />

des Füll- <strong>und</strong> Grenzstandes sowie über Durchflussmengenzähler<br />

für Kontroll- <strong>und</strong> Steuerungszwecke:<br />

Grauwasserbehandlung mit Des<strong>in</strong>fektion<br />

(aerobe Behandlung)<br />

Schwarzwasserbehandlung mit Des<strong>in</strong>fektion<br />

(aerobe Behandlung)<br />

Prozesswasserbehandlung<br />

(Anammox-Verfahren im SBR-Batchbetrieb)<br />

organische Feststoffbehandlung zusammen mit<br />

<strong>der</strong> Behandlung von Überschussschlamm zur<br />

Biogasgew<strong>in</strong>nung (anaerobes Verfahren)<br />

Überwachung des Brauchwassernetzes<br />

3.1 <strong>Abwasser</strong>behandlung<br />

Bei <strong>der</strong> Grau- <strong>und</strong> Schwarzwasseraufbereitung benötigt<br />

die aerobe biologische Behandlung zur Prozessregelung<br />

Signalgeber, zum Beispiel für Sauerstoff, Ammonium,<br />

Nitrat, ortho-Phosphat, Druck, Temperatur <strong>und</strong> Durchfluss.<br />

Der Sollwert <strong>der</strong> Sauerstoffkonzentration wird <strong>in</strong><br />

Abhängigkeit von <strong>der</strong> am Ablauf <strong>der</strong> Belebung gemessenen<br />

NH 4 -N-Konzentration verän<strong>der</strong>t. Bei steigendem<br />

NH 4 -N-Gehalt wird <strong>der</strong> O 2 -Sollwert erhöht, bei s<strong>in</strong>kendem<br />

Gehalt gesenkt. Ferner kann bei steigendem NH 4 -<br />

N-Gehalt die Zu- beziehungsweise Abschaltung von flexiblen<br />

Nitrifikations-/Denitrifikationszonen geregelt<br />

werden. Zusätzlich lassen sich NO 3 -N- <strong>und</strong> PO 4 -P-Konzentrationssignale<br />

<strong>in</strong> die Regelung e<strong>in</strong>beziehen. E<strong>in</strong>e<br />

solche Vorgehensweise optimiert den O 2 -E<strong>in</strong>trag <strong>und</strong><br />

steigert die Energieeffizienz.<br />

Die Behandlung von Prozesswasser, das mit organischen<br />

Stoffen <strong>und</strong> Ammonium hoch belastet ist, stellt für das VEZ<br />

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist<br />

aus <strong>der</strong> Fusion von Universität Karlsruhe <strong>und</strong> Forschungszentrum<br />

Karlsruhe hervorgegangen. Am KIT<br />

arbeiten <strong>und</strong> studieren mehr als 9.400 Mitarbeiter<br />

<strong>und</strong> Mitarbeiter<strong>in</strong>nen <strong>und</strong> über 24.000 Studierende.<br />

Das KIT besetzt im Bereich III „Masch<strong>in</strong>enbau<br />

<strong>und</strong> Elektrotechnik“ zum nächstmöglichen Zeitpunkt<br />

e<strong>in</strong>e Direktorenstelle für die kollegiale<br />

Leitung des Instituts für<br />

Angewandte Informatik (IAI)<br />

verb<strong>und</strong>en mit <strong>der</strong><br />

W3-Professur für<br />

Angewandte Informatik <strong>und</strong><br />

Automatisierungstechnik<br />

<strong>der</strong> KIT-Fakultät für Masch<strong>in</strong>enbau.<br />

Das im Großforschungsbereich des KIT angesiedelte<br />

Institut mit ca. 120 Mitarbeitern betreibt<br />

Forschung <strong>und</strong> Entwicklung auf dem Gebiet<br />

<strong>in</strong>novativer, anwendungsorientierter Informations-,<br />

Automatisierungs- <strong>und</strong> Systemtechnik<br />

sowie dem Gebiet <strong>der</strong> Energie<strong>in</strong>formatik.<br />

Gesucht wird e<strong>in</strong>e Persönlichkeit aus Wissenschaft<br />

o<strong>der</strong> Industrie, die <strong>in</strong> wesentlichen Themenbereichen<br />

<strong>der</strong> Angewandten Informatik <strong>und</strong><br />

Automatisierungstechnik wissenschaftlich hervorragend<br />

ausgewiesen ist, über die Fähigkeit zur<br />

Führung e<strong>in</strong>es großen Instituts verfügt <strong>und</strong><br />

exzellente Befähigungen für die Lehre hat.<br />

Die Habilitation o<strong>der</strong> habilitationsäquivalente<br />

Leistungen werden vorausgesetzt, <strong>in</strong>dustrielle<br />

Erfahrung ist erwünscht. Es gelten die E<strong>in</strong>stellungsvoraussetzungen<br />

nach § 47 LHG.<br />

Der/Die Stellen<strong>in</strong>haber/-<strong>in</strong> ist als Direktor/-<strong>in</strong> des IAI<br />

verantwortlich für die Beiträge des Instituts <strong>in</strong> Forschungsprogrammen<br />

<strong>der</strong> Helmholtz-Geme<strong>in</strong>schaft,<br />

<strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e <strong>in</strong> den Programmen „Science and<br />

Technology of Nanosystems“ <strong>und</strong> „BioInterfaces<br />

<strong>in</strong> Technology and Medic<strong>in</strong>e“ sowie <strong>in</strong> „Supercomput<strong>in</strong>g<br />

and Big Data“. E<strong>in</strong>e aktive Beteiligung<br />

an <strong>der</strong> strategischen Weiterentwicklung <strong>und</strong> <strong>der</strong><br />

Ausprägung neuer Forschungsfel<strong>der</strong> <strong>und</strong> <strong>der</strong> E<strong>in</strong>werbung<br />

von Drittmitteln wird erwartet.<br />

Erwartet werden Erfahrungen <strong>und</strong> richtungsweisende<br />

Beiträge <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>in</strong>genieurwissenschaftlichen<br />

Umsetzung zur Automatisierung neuartiger Verfahren<br />

z. B. <strong>in</strong> <strong>der</strong> Bio- <strong>und</strong> Nanotechnologie sowie<br />

zur Bil<strong>der</strong>kennung <strong>und</strong> -verarbeitung <strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e<br />

bei hohen Durchsätzen. Die daraus resultierenden<br />

Erkenntnisse sollen u. a. genutzt werden, um <strong>in</strong><br />

Innovationen auf den Gebieten <strong>der</strong> Nano- <strong>und</strong><br />

Mikrotechnologien, Biotechnologie, Fertigung <strong>und</strong><br />

Produktion, <strong>der</strong> Optik <strong>und</strong> Photonik, Mechatronik,<br />

Anthropomatik <strong>und</strong> Robotik zu stimulieren.<br />

In <strong>der</strong> Lehre sollen die Studiengänge Masch<strong>in</strong>enbau<br />

<strong>und</strong> Mechatronik <strong>der</strong> KIT-Fakultät für Masch<strong>in</strong>enbau<br />

mit Angeboten aus <strong>der</strong> Mechatronik,<br />

<strong>der</strong> technischen Informatik sowie <strong>der</strong> Automatisierungs-<br />

<strong>und</strong> Regelungstechnik bereichert werden.<br />

Diese Angebote können auch von Hörern an<strong>der</strong>er<br />

Fakultäten wahrgenommen werden.<br />

Das KIT strebt die Erhöhung des Anteils an Professor<strong>in</strong>nen<br />

an <strong>und</strong> begrüßt deshalb die Bewerbung<br />

von Frauen. Schwerbeh<strong>in</strong><strong>der</strong>te Bewerber<strong>in</strong>nen<br />

<strong>und</strong> Bewerber werden bei entsprechen<strong>der</strong> Eignung<br />

bevorzugt berücksichtigt.<br />

Ihre Bewerbung richten Sie bitte mit tabellarischem<br />

Lebenslauf, Darstellung des wissenschaftlichen<br />

<strong>und</strong> beruflichen Werdegangs, Listen <strong>der</strong> wissenschaftlichen<br />

Arbeiten unter Benennung <strong>der</strong> fünf<br />

wichtigsten Publikationen, Lehrportfolio mit Verzeichnis<br />

<strong>der</strong> Lehrveranstaltungen <strong>und</strong> Evaluationen<br />

<strong>der</strong> vergangenen zwei Jahre <strong>in</strong> schriftlicher<br />

<strong>und</strong> elektronischer Form bis zum 15.10.2014 an<br />

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

KIT-Dekan <strong>der</strong> KIT-Fakultät für Masch<strong>in</strong>enbau,<br />

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Fleischer, Kaiserstr. 12,<br />

76131 Karlsruhe, E-Mail: dekanat@mach.kit.edu.<br />

KIT - Universität des Landes Baden-Württemberg <strong>und</strong><br />

nationales Forschungszentrum <strong>in</strong> <strong>der</strong> Helmholtz-Geme<strong>in</strong>schaft<br />

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

9 / 2014<br />

31


HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2014<br />

– wie für jede Kläranlage – e<strong>in</strong>e verfahrenstechnische<br />

Herausfor<strong>der</strong>ung dar. Für diesen Aufbereitungsschritt<br />

kommt das Anammox-Verfahren zum E<strong>in</strong>satz, das <strong>in</strong> den<br />

letzten Jahren als e<strong>in</strong> neues im Industriemaßstab umsetzbares<br />

Verfahren bekannt geworden ist. Es ermöglicht die<br />

direkte anaerobe Umsetzung von Ammonium mit Nitrit<br />

zu elementarem Stickstoff. Der Umweg über Nitrat (Nitrifikation)<br />

<strong>und</strong> die stufenweise bakterielle Reduktion zu<br />

Stickstoff (Denitrifikation) ist nicht erfor<strong>der</strong>lich, weshalb<br />

sich das Anammox-Verfahren dazu eignet, den Energiebedarf<br />

für die <strong>Abwasser</strong>re<strong>in</strong>igung signifikant zu senken.<br />

Das Verfahren wird als e<strong>in</strong>stufiger Batchprozess ausgelegt.<br />

Dies zieht erhöhte Anfor<strong>der</strong>ungen an die Messtechnik<br />

<strong>und</strong> die Prozessführung nach sich, da die zu<br />

verwendenden Mikroorganismen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em engen Temperaturbereich<br />

aktiv s<strong>in</strong>d <strong>und</strong> Stoffwechselabbauprodukte<br />

den Abbauprozess hemmen können. Geeignete<br />

Messgeräte müssen vor allem über e<strong>in</strong>e kurze Ansprechzeit<br />

<strong>und</strong> e<strong>in</strong>e hohe Messpräzision verfügen. Für die Prozessführung<br />

des Anammox-Verfahrens s<strong>in</strong>d die Prozessparameter<br />

Temperatur, Ammoniumkonzentration <strong>und</strong><br />

pH von Bedeutung, da diese den Schaltpunkt von aerober<br />

auf anoxischer Behandlung bestimmen. Ferner ist die<br />

gezielte Abtrennung <strong>der</strong> Anammox-Spezies von <strong>der</strong> übrigen<br />

Biozönose e<strong>in</strong> weiterer wesentlicher Prozessschritt,<br />

<strong>der</strong> für das Schlammalter von hoher Bedeutung ist.<br />

Zur automatisierten Steuerung o<strong>der</strong> Regelung <strong>der</strong><br />

<strong>Abwasser</strong>behandlung s<strong>in</strong>d automatisierte <strong>und</strong> kont<strong>in</strong>uierlich<br />

arbeitende Messgeräte erfor<strong>der</strong>lich, <strong>der</strong>en<br />

Abtastrate <strong>in</strong> Bezug auf die hydraulischen Gegebenheiten<br />

ausreichend hoch se<strong>in</strong> muss. Für e<strong>in</strong>en zuverlässigen<br />

Betrieb ist ferner e<strong>in</strong>e sachgerechte Installation,<br />

Inbetriebnahme <strong>und</strong> Instandhaltung durch geschultes<br />

Personal notwendig.<br />

3.2 Schlammbehandlung <strong>und</strong> Biogas<br />

Die Herausfor<strong>der</strong>ung des Verfahrensmoduls Schlammbehandlung/Biogas<br />

besteht dar<strong>in</strong>, die Stabilität des<br />

Fermentationsprozesses sicherzustellen, während die<br />

Biogasproduktion <strong>und</strong> die Biogasqualität maximiert<br />

werden. Nur so lässt sich e<strong>in</strong> langfristig nachhaltiger<br />

<strong>und</strong> wirtschaftlicher Betrieb <strong>der</strong> anaeroben Vergärungsstufe<br />

des VEZ gewährleisten.<br />

Voraussetzung für e<strong>in</strong>e solche Regelung <strong>und</strong> Optimierung<br />

ist e<strong>in</strong>e MSR-Technik, die es ermöglicht, den Biogasprozess<br />

zuverlässig <strong>und</strong> idealerweise onl<strong>in</strong>e zu beurteilen<br />

<strong>und</strong> zu überwachen. Insbeson<strong>der</strong>e kritische Prozessvariablen,<br />

wie <strong>der</strong> FOS/TAC-Wert (Verhältnis aus<br />

dem Gehalt an flüchtigen organischen Säuren <strong>und</strong> <strong>der</strong><br />

Carbon<strong>atp</strong>ufferkapazität), <strong>der</strong> als Leitwert für die Regelung<br />

von Biogasanlagen gilt, lässt sich bislang nicht zufriedenstellend<br />

onl<strong>in</strong>e <strong>und</strong> vollautomatisch bestimmen.<br />

Ferner ist für die Regelung <strong>und</strong> Optimierung von Biogasanlagen<br />

Onl<strong>in</strong>e-Messtechnik für die Prozessvariablen<br />

pH-Wert, Redoxpotenzial <strong>und</strong> Trockensubstanzgehalt<br />

(TS) sowie für die Bestimmung <strong>der</strong> Zusammensetzung<br />

<strong>der</strong> Inputstoffe erfor<strong>der</strong>lich, um im Vorh<strong>in</strong>e<strong>in</strong><br />

die Biogasproduktion h<strong>in</strong>sichtlich Menge <strong>und</strong> Qualität<br />

abschätzen zu können. Dies ist beson<strong>der</strong>s bei gemischten<br />

Abfallströmen von großer Bedeutung.<br />

Der Nutzen geeigneter Onl<strong>in</strong>e-Messtechnik liegt <strong>in</strong><br />

<strong>der</strong> Früherkennung von Betriebsproblemen <strong>und</strong> e<strong>in</strong>er<br />

optimierten Anpassung <strong>der</strong> Substratzufuhr <strong>und</strong> <strong>der</strong><br />

Rühr<strong>in</strong>tervalle <strong>in</strong>nerhalb des Fermenters. Darüber h<strong>in</strong>aus<br />

können auf Basis <strong>der</strong> Messwerte Simulationsmodelle<br />

<strong>der</strong> betreffenden Anlagen kalibriert <strong>und</strong> für die<br />

Entwicklung von optimalen Regelungsstrategien genutzt<br />

werden. Aufgr<strong>und</strong> <strong>der</strong> hohen TS-Gehalte <strong>der</strong> Inputstoffe<br />

sowie des Gärschlammes <strong>in</strong>nerhalb des Fermenters<br />

müssen die Messsonden <strong>und</strong> Armaturen beson<strong>der</strong>s<br />

robust <strong>und</strong> wartungsarm se<strong>in</strong>. Insbeson<strong>der</strong>e<br />

Fremdstoffe, wie kle<strong>in</strong>e Ste<strong>in</strong>e <strong>und</strong> Glassplitter, kommen<br />

häufig vor <strong>und</strong> können die e<strong>in</strong>gesetzte MSR-Technik<br />

b<strong>in</strong>nen kurzer Zeit beschädigen. Ferner können<br />

hohe Konzentrationen an Ammoniak <strong>und</strong> Schwefelwasserstoff<br />

zu e<strong>in</strong>er Vergiftung <strong>der</strong> Sensoren führen,<br />

was häufige Kalibrierungen <strong>und</strong> Justierungen sowie<br />

regelmäßige Instandhaltungsmaßnahmen zur Folge<br />

hat. Darüber h<strong>in</strong>aus spielen die Investitions- <strong>und</strong> Betriebskosten<br />

e<strong>in</strong>e große Rolle, die meist nur <strong>in</strong> Verb<strong>in</strong>dung<br />

mit Aussicht auf e<strong>in</strong>e optimierte Substratzufuhr<br />

als vertretbar akzeptiert werden.<br />

3.3 Brauchwassernetz<br />

Die qualitativen Anfor<strong>der</strong>ungen an Brauchwasser s<strong>in</strong>d<br />

gr<strong>und</strong>sätzlich ger<strong>in</strong>ger als die an Tr<strong>in</strong>kwasser. Nichtsdestotrotz<br />

muss jede Form von Brauchwasser unbedenklich<br />

nutzbar se<strong>in</strong> <strong>und</strong> als potenzielle Quelle von Risiken<br />

ausgeschlossen werden. Im Gegensatz zu den Bed<strong>in</strong>gungen<br />

<strong>in</strong> Deutschland, bei denen für Water re-use ke<strong>in</strong>e<br />

gesetzlichen Randbed<strong>in</strong>gungen – mit Ausnahme <strong>der</strong><br />

Tr<strong>in</strong>kwasserverordnung – festgelegt s<strong>in</strong>d, regelt Ch<strong>in</strong>a<br />

die Anfor<strong>der</strong>ungen an die <strong>Abwasser</strong>wie<strong>der</strong>verwendung<br />

für verschiedene Nutzungsmöglichkeiten gesetzlich [2].<br />

An die Verteilung des gere<strong>in</strong>igten <strong>Abwasser</strong>s vom E<strong>in</strong>speisepunkt<br />

am Ausgang des VEZ bis zu den Entnahmestellen<br />

bei den Verbrauchern werden hohe Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

gestellt, da das Brauchwasser für die angestrebte<br />

Nutzung als Toilettenspülwasser beim Transport <strong>in</strong> die<br />

Wohnstätten <strong>in</strong> hygienisch e<strong>in</strong>wandfreier Form vorliegen<br />

muss. So muss für alle Anwendungen <strong>der</strong> Restchlorgehalt<br />

nach 30-m<strong>in</strong>ütiger Kontaktzeit m<strong>in</strong>destens 1 mg/l<br />

betragen, <strong>und</strong> am Ende <strong>der</strong> Leitung muss e<strong>in</strong> Restgehalt<br />

von m<strong>in</strong>destens 0,2 mg/l Chlor vorliegen. Diese For<strong>der</strong>ung<br />

bed<strong>in</strong>gt e<strong>in</strong>erseits e<strong>in</strong>e Des<strong>in</strong>fektion des aufbereiteten<br />

Grauwassers vor dem E<strong>in</strong>speisen <strong>in</strong> das Netz. An<strong>der</strong>erseits<br />

muss im Brauchwassernetz an jedem Punkt<br />

<strong>und</strong> zu je<strong>der</strong> Zeit e<strong>in</strong>e ausreichend hohe Des<strong>in</strong>fektionskapazität<br />

vorhanden se<strong>in</strong>, damit die hygienischen<br />

Grenzwerte an den Entnahmestellen e<strong>in</strong>gehalten werden.<br />

Damit müssen die Regelung <strong>der</strong> Des<strong>in</strong>fektionsmitteldosierung<br />

<strong>und</strong> die E<strong>in</strong>stellung e<strong>in</strong>er ausreichenden<br />

Des<strong>in</strong>fektionsmitteldepotwirkung an die spezifischen<br />

Gegebenheiten des Brauchwassernetzes <strong>und</strong> die Chlorzehrungseigenschaften<br />

des Mediums angepasst se<strong>in</strong>.<br />

Wie aus <strong>der</strong> Übersichtskarte <strong>in</strong> Bild 3 hervorgeht, ist<br />

das Brauchwassernetz (Länge etwa 3 km) r<strong>in</strong>gförmig angelegt.<br />

Insgesamt s<strong>in</strong>d drei Übergabepunkte vorgesehen,<br />

an denen die E<strong>in</strong>speisung des Brauchwassers zum Teil<br />

über Stichleitungen <strong>in</strong> die Gebäude<strong>in</strong>stallation erfolgt.<br />

32<br />

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

9 / 2014


BILD 3: Darstellung<br />

des WHE-Geländes<br />

mit Kennzeichnung<br />

<strong>der</strong> Brauchwasserleitungen<br />

(rote L<strong>in</strong>ien)<br />

<strong>und</strong> <strong>der</strong> Übergabepunkte<br />

<strong>in</strong> die Gebäude<br />

(blaue Kreise mit<br />

Beschriftung)<br />

BILD 4: Ergebnisse des<br />

LSR-basierten Soft-<br />

Sensors für CSB<br />

auf Tra<strong>in</strong><strong>in</strong>gs- <strong>und</strong><br />

Validierungsdaten<br />

(Quelle: C. Wolf, Gummersbach<br />

Environmental<br />

Comput<strong>in</strong>g Center, FH Köln,<br />

unveröffentlichte Ergebnisse)<br />

BILD 5: Ergebnisse des<br />

SVR-basierten Soft-<br />

Sensors für CSB<br />

auf Tra<strong>in</strong><strong>in</strong>gs- <strong>und</strong><br />

Validierungsdaten<br />

(Quelle: C. Wolf, Gummersbach<br />

Environmental<br />

Comput<strong>in</strong>g Center, FH Köln,<br />

unveröffentlichte Ergebnisse)<br />

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

9 / 2014<br />

33


HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2014<br />

Bei <strong>der</strong> Dimensionierung des Netzes wurde von e<strong>in</strong>em<br />

mittleren stündlichen Brauchwasserbedarf von etwa<br />

8 m³/h <strong>und</strong> e<strong>in</strong>em Spitzenbedarf von etwa 30 m³/h ausgegangen.<br />

Die angeschlossene E<strong>in</strong>wohnerzahl beträgt etwa<br />

6000 mit e<strong>in</strong>em spezifischen Bedarf von 33 l/E<strong>in</strong>wohner/Tag,<br />

sodass sich e<strong>in</strong> Tagesbedarf von etwa 198 m³/Tag<br />

ergibt. Da die Grauwasseraufbereitung für etwa 720 m³/Tag<br />

ausgelegt ist, wird weniger Brauchwasser entnommen<br />

als produziert.<br />

4. LÖSUNGSANSÄTZE FÜR DIE MSR-TECHNIK<br />

Bei <strong>der</strong> Schwarzwasseraufbereitung ist die Messung des<br />

chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) als Parameter für<br />

die Belastung des <strong>Abwasser</strong>s mit organischen Stoffen<br />

für die Optimierung <strong>und</strong> Regelung <strong>der</strong> Abbauprozesse<br />

entscheidend. Allerd<strong>in</strong>gs liefern die gängigen Methoden<br />

zur CSB-Bestimmung entwe<strong>der</strong> nur zeitlich punktuelle<br />

Information (manuelle Probenahme <strong>und</strong> manuelle Analyse<br />

im Labor als 24-St<strong>und</strong>en-Mischprobe) o<strong>der</strong> sie s<strong>in</strong>d<br />

apparativ vergleichsweise aufwändig <strong>und</strong> kosten<strong>in</strong>tensiv<br />

(Onl<strong>in</strong>e-Messtechnik mit nasschemischen Analysatoren<br />

o<strong>der</strong> mit spektroskopischen Sensoren).<br />

E<strong>in</strong>e kostengünstige Alternative s<strong>in</strong>d Soft-Sensoren,<br />

die auf <strong>der</strong> Basis von Standardmesstechnik, vor allem<br />

für Trübung sowie für Ammonium- <strong>und</strong> Nitratstickstoff,<br />

die aktuelle CSB-Konzentration im Kläranlagenzulauf<br />

bestimmen. Zur Entwicklung solcher Soft-Sensoren<br />

werden Regressionsmethoden aus dem Bereich<br />

des Mach<strong>in</strong>e Learn<strong>in</strong>g e<strong>in</strong>gesetzt.<br />

Erste Ergebnisse e<strong>in</strong>er Entwicklungs- <strong>und</strong> Testphase,<br />

die von Gecoc mit Unterstützung von Endress+Hauser<br />

an <strong>der</strong> Kläranlage Rospe <strong>in</strong> Gummersbach durchgeführt<br />

wurden, zeigen, dass die Werte des Soft-Sensors<br />

sehr gut mit den herkömmlich ermittelten CSB-Messdaten<br />

übere<strong>in</strong>stimmen, siehe Bild 4 <strong>und</strong> 5.<br />

Als Datensätze liegen die Werte von Messgrößen zugr<strong>und</strong>e,<br />

die im Kläranlagenzulauf bestimmt worden s<strong>in</strong>d,<br />

nämlich Durchfluss, Temperatur, pH, Leitfähigkeit <strong>und</strong><br />

Trübung (im Beitrag als st Zulauf bezeichnet). Diese Tra<strong>in</strong><strong>in</strong>gsdatensätze<br />

s<strong>in</strong>d von beson<strong>der</strong>em Interesse, da sie<br />

bis auf die Trübungsmessung auf Messgrößen beruhen,<br />

die auf den meisten Kläranlagen standardmäßig ermittelt<br />

werden. Die Onl<strong>in</strong>e-Trübungsmessung kann jedoch im<br />

Bedarfsfall kostengünstig nachgerüstet werden.<br />

Die dargestellten Ergebnisse zeigen, dass bei den<br />

Tra<strong>in</strong><strong>in</strong>gs- <strong>und</strong> den Validierungsdaten e<strong>in</strong>e gute bis<br />

sehr gute Übere<strong>in</strong>stimmung <strong>der</strong> Kurvenverläufe feststellbar<br />

ist. Dabei liefern die Standardregressionsverfahren<br />

<strong>der</strong> l<strong>in</strong>earen Regression, <strong>der</strong> multiplen normalen<br />

Regression <strong>und</strong> <strong>der</strong> Least Squares Regression (LSR)<br />

gleich gute Ergebnisse mit e<strong>in</strong>em Root Mean Square<br />

Error (RMSE) von 4,98 <strong>und</strong> e<strong>in</strong>er Korrelation von 0,88<br />

auf die Validierungsdaten. Im Vergleich dazu bildet<br />

die Support Vektor Regression (SVR) den Kurvenverlauf<br />

<strong>der</strong> Validierungsdaten deutlich präziser ab (RMSE<br />

= 3,67; Korrelation = 0,94).<br />

Auffällig ist, dass alle Regressionsverfahren bei den<br />

Tra<strong>in</strong><strong>in</strong>gsdaten deutliche Konzentrationsspitzen prädiktieren,<br />

die so nicht <strong>in</strong> den Orig<strong>in</strong>aldaten zu f<strong>in</strong>den<br />

s<strong>in</strong>d <strong>und</strong> bei bei den Validierungsdaten nicht auftreten.<br />

E<strong>in</strong>e Ursache für diese extremen CSB-Spitzen bei den<br />

Tra<strong>in</strong><strong>in</strong>gsdaten konnte bislang nicht ermittelt werden.<br />

Abschließend ist festzuhalten, dass basierend auf den<br />

Messergebnissen von Standardmesstechnik e<strong>in</strong> gut<br />

funktionieren<strong>der</strong> Soft-Sensor für die Prädiktion <strong>der</strong><br />

CSB-Konzentrationen entwickelt werden kann. E<strong>in</strong> solcher<br />

Soft-Sensor liefert kostengünstig zusätzliche Prozess<strong>in</strong>formation,<br />

die für die nachgeschalteten Regelungen<br />

genutzt werden kann. Diese Methodik soll zur<br />

CSB-Bestimmung im Schwarzwassermodul des VEZ<br />

angewendet werden. Darauf aufbauend lassen sich vorausschauende<br />

Regelungskonzepte für die Nitrifikation<br />

<strong>und</strong> Denitrifikation entwickeln.<br />

4.1 Regelung <strong>der</strong> Substratzufuhr<br />

E<strong>in</strong>e Biogasanlage lässt sich <strong>in</strong> erster L<strong>in</strong>ie durch die<br />

Substratzufuhr steuern <strong>und</strong> regeln. E<strong>in</strong> Konzept zur<br />

Optimierung <strong>und</strong> Regelung des Fermentationsprozesses<br />

im VEZ muss daher darauf ausgerichtet se<strong>in</strong>, die<br />

Substratbeschickung so zu regeln, dass e<strong>in</strong>e optimale<br />

Biogasproduktion bei hoher Prozessstabilität erreicht<br />

wird. Hierfür kommen unterschiedliche methodische<br />

Ansätze <strong>in</strong> Betracht, die im Rahmen des Projektes evaluiert<br />

<strong>und</strong> für das VEZ optimiert werden.<br />

E<strong>in</strong>erseits werden zur Fütterungsoptimierung dynamische<br />

Simulationsmodelle e<strong>in</strong>gesetzt, die neue Möglichkeiten<br />

zur Regelung von komplexen Prozessen bieten. So<br />

kann mit Hilfe e<strong>in</strong>es dynamischen Simulationsmodells<br />

auf Basis des Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1)<br />

e<strong>in</strong>e komplette Biogasanlage am Rechner abgebildet <strong>und</strong><br />

simuliert werden [3]. Dies ermöglicht es, unterschiedliche<br />

Substratbeschickungen zu betrachten <strong>und</strong> die Auswirkungen<br />

auf den Anlagenbetrieb abzuschätzen. Schließlich<br />

kann so e<strong>in</strong>e optimale Substratzufuhr für den aktuellen<br />

Betriebszustand <strong>der</strong> Anlage bestimmt werden.<br />

An<strong>der</strong>erseits kommen Simulationsmodelle zur vorausschauenden<br />

Regelung von Anlagen zum E<strong>in</strong>satz. Diese<br />

Modelle werden als Model Predictive Control (MPC) bezeichnet<br />

[4]. Das Funktionspr<strong>in</strong>zip ist <strong>in</strong> Bild 6 veranschaulicht.<br />

Demnach wird auf Basis von Onl<strong>in</strong>e-Messwerten<br />

<strong>der</strong> aktuelle Betriebszustand <strong>der</strong> Biogasanlage mit<br />

e<strong>in</strong>em Zustandsschätzer bestimmt. Dieser Anlagenzustand<br />

wird dann <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em dynamischen Simulations modell <strong>der</strong><br />

Anlage benutzt, um verschiedente Substratbeschickungen<br />

zu testen <strong>und</strong> die optimale Substratzufuhr zu ermitteln.<br />

Dafür können verschiedene Gütekriterien def<strong>in</strong>iert werden.<br />

Auf diese Weise kann e<strong>in</strong> nachhaltiges Fütterungsregime<br />

für Biogasanlagen umgesetzt werden, da auch bei<br />

wechseln<strong>der</strong> Verfügbarkeit von Substraten automatisch<br />

auf ideale Alternativen gewechselt werden kann, sodass<br />

e<strong>in</strong> kont<strong>in</strong>uierlicher Anlagenbetrieb auf hohem Niveau<br />

erreicht wird.<br />

In Bild 7 wird die Regelung des Substratmixes mit<br />

wechseln<strong>der</strong> Substratverfügbarkeit beispielhaft für e<strong>in</strong>e<br />

landwirtschaftliche Biogasanlage visua lisiert. Als Regler<br />

wird <strong>der</strong> oben genannte NMPC genutzt, welcher den<br />

optimalen Substratmixverlauf für e<strong>in</strong> validiertes Simulationsmodell<br />

bestimmt [5].<br />

Zu Simulationsbeg<strong>in</strong>n ist <strong>der</strong> Substratmix nicht optimal,<br />

was durch die schlechten Werte des festgelegten<br />

34<br />

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

9 / 2014


Dynamisches Simulationsmodell<br />

(Nonl<strong>in</strong>ear Model Predictive Control, NMPC)<br />

Optimierungsmethode<br />

Gütefunktion <strong>und</strong><br />

Randbed<strong>in</strong>gungen<br />

Optimierung<br />

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

Substratzufuhr!<br />

Biogasanlage<br />

BILD 6: Schematische Darstellung <strong>der</strong><br />

Funktionsweise des NMPC zur Regelung<br />

von Biogasanlagen.<br />

Modell <strong>der</strong> Biogasanlage<br />

onl<strong>in</strong>e<br />

Messdaten<br />

Bestimmung des<br />

aktuellen Anlagenzustandes<br />

(Zustandsschätzer)<br />

BILD 7: Beispielhafte Darstellung <strong>der</strong> Regelung<br />

<strong>der</strong> Substratzufuhr e<strong>in</strong>er Biogasanlage [6]<br />

BILD 8: Multiparameter-<br />

Messsystem zur kont<strong>in</strong>uierlichen<br />

Überwachung<br />

des Brauchwassernetzes.<br />

Wesentliche Komponenten:<br />

Zulaufstutzen mit Ventil<br />

<strong>und</strong> Druckm<strong>in</strong><strong>der</strong>er (1),<br />

Blasenfalle mit Entlüftungsventil<br />

<strong>und</strong> Steigrohr<br />

(2), SAK-Sonde mit<br />

Armatur (3), Trübungssonde<br />

mit Armatur (4), Multisensormodul<br />

für pH, Chlor <strong>und</strong><br />

Redox mit Armatur (5),<br />

Durchflussmesser (6),<br />

Ablaufstutzen mit<br />

Belüftungsventil (7) <strong>und</strong><br />

Multikanaltrans mitter (8)<br />

Gütekriteriums ausgedrückt wird. Im Diagramm s<strong>in</strong>d die<br />

Werte des Gütekriteriums durch die Farbgebung <strong>der</strong> Bildpunkte<br />

gekennzeichnet. Die Steuerung regelt die Biogasanlage<br />

automatisch, sodass schließlich e<strong>in</strong> optimaler<br />

Substratmix aus Gülle <strong>und</strong> Maissilage erreicht wird. Dabei<br />

symbolisiert jedes Quadrat e<strong>in</strong> durch den Regler evaluiertes<br />

Substratgemisch.<br />

Das Konzept zur optimalen Substratregelung von Biogasanlagen<br />

mit vorausschauenden Modellen MPC zeigt,<br />

dass sich mit Hilfe vorhandener Messtechnik <strong>der</strong> Anlagenbetrieb<br />

nachhaltig optimieren lässt. Wie das Beispiel<br />

zeigt, kann dadurch e<strong>in</strong>e deutliche Effizienzsteigerung<br />

des Anlagenbetriebs erreicht werden. Diese<br />

Methodik wird <strong>der</strong>zeit an die Biogasanlage des VEZ<br />

angepasst <strong>und</strong> soll während des Verb<strong>und</strong>vorhabens<br />

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

4.2 Qualitätsmonitor<strong>in</strong>g Brauchwasser<br />

Während des Transports des Brauchwassers im Netz kann<br />

durch unterschiedliche Mechanismen e<strong>in</strong> Verbrauch an<br />

Des<strong>in</strong>fektionsmittel stattf<strong>in</strong>den, sodass e<strong>in</strong>e Gefährdung<br />

<strong>der</strong> Nutzung <strong>der</strong> Ressource Brauchwasser durch Wie<strong>der</strong>verkeimung<br />

nicht ausgeschlossen werden darf. Daher ist<br />

für Systeme, die Brauchwasser nutzen, e<strong>in</strong> Risikomanagement<br />

obligatorisch, das unter an<strong>der</strong>em darauf abzielt,<br />

geeignete Konzepte für die Qualitätsüberwachung sowie<br />

Qualitätssicherung <strong>und</strong> Maßnahmenpläne für den Fall<br />

<strong>der</strong> Nichte<strong>in</strong>haltung von Grenzwerten bereitzustellen. Die<br />

Entwicklung von Instrumenten <strong>und</strong> Methoden für das<br />

betriebliche Qualitätsmanagement s<strong>in</strong>d wesentlicher Bestandteil<br />

des MSR-Konzeptes. Im Rahmen des Verb<strong>und</strong>projektes<br />

werden zwei Aspekte verfolgt.<br />

Erstens wurde für die Qualitätsüberwachung des<br />

Brauchwassers an den Übergabepunkten e<strong>in</strong>e an die<br />

jeweilige Messstelle angepasste Multiparameter-Messstation<br />

als Systemlösung konzipiert. Der schematische<br />

Aufbau geht aus Bild 7 hervor. Solche Messsysteme<br />

sollen künftig e<strong>in</strong>gesetzt werden, um die E<strong>in</strong>haltung<br />

<strong>der</strong> Anfor<strong>der</strong>ung an die Chlorkonzentration (≥ 0,2 mg/l<br />

freies Chlor) kont<strong>in</strong>uierlich zu überwachen <strong>und</strong> verschmutzungsrelevante<br />

Parameter, wie zum Beispiel die<br />

Trübung, den spektralen Absorptionskoeffizienten, den<br />

pH-Wert, die Temperatur <strong>und</strong> die Leitfähigkeit als Qualitätsparameter<br />

aufzuzeichnen. Nach erfolgter Inbetriebnahme<br />

<strong>und</strong> Betriebsbewährung sollen die Multiparameter-Messsysteme<br />

<strong>in</strong> den Regelbetrieb übernommen <strong>und</strong><br />

für Steuerungs- beziehungsweise Regelungsaufgaben<br />

e<strong>in</strong>gesetzt werden, vor allem um die E<strong>in</strong>haltung <strong>der</strong><br />

Grenzwerte zu überwachen <strong>und</strong> bei Grenzwert überschreitungen<br />

auf Tr<strong>in</strong>kwasser umzuschalten.<br />

Zweitens wurde auf Basis <strong>der</strong> Planungsdaten e<strong>in</strong><br />

Rohrnetzmodell erstellt, das zusätzlich zur re<strong>in</strong> hydraulischen<br />

Betrachtung mit dem Chlorzehrungsverhalten<br />

verknüpft wurde, um e<strong>in</strong>e Aussage bezüglich des zeitlichen<br />

Profils <strong>der</strong> Restchlorkonzentration zu treffen <strong>und</strong><br />

daraus das Wie<strong>der</strong>verkeimungspotenzial abschätzen zu<br />

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

9 / 2014<br />

35


HAUPTBEITRAG | AUTOMATION 2014<br />

AUTOREN<br />

Dr. ACHIM GAHR (geb. 1965) studierte<br />

Chemie an <strong>der</strong> Technischen Universität<br />

München <strong>und</strong> promovierte auf den<br />

Gebieten Chemische Analytik <strong>und</strong><br />

<strong>Wasser</strong>aufbereitungstechnologien. Nach<br />

se<strong>in</strong>er Zeit als Wissenschaftler war Gahr<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> Messtechnikbranche im Bereich<br />

F&E tätig. Seit 2005 ist er bei<br />

Endress+Hauser beschäftigt <strong>und</strong> arbeitet<br />

heute als Bus<strong>in</strong>ess Development Manager Environmental.<br />

Hauptarbeitsgebiete: Akquise <strong>und</strong> Management nationaler<br />

<strong>und</strong> <strong>in</strong>ternationaler Leitprojekte für die Strategie <strong>Wasser</strong>/<br />

<strong>Abwasser</strong>/Umwelt, Entwicklung von Systemkonzepten <strong>und</strong><br />

-lösungen für Megatrends, Ausbau des strategischen Geschäftsfeldes<br />

für die Umweltbranche.<br />

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

Dieselstraße 24, D-70839 Gerl<strong>in</strong>gen,<br />

Tel. +49 (0) 7156 20 93 73, E-Mail: achim.gahr@conducta.endress.com<br />

Dr. CHRISTIAN WOLF (geb. 1981) studierte<br />

Elektrotechnik mit Schwerpunkt Automatisierung<br />

<strong>und</strong> Industrial IT an <strong>der</strong><br />

Fachhochschule Köln <strong>und</strong> promovierte<br />

an <strong>der</strong> National University of Ireland<br />

Maynooth zum Thema „Simulation,<br />

Optimization and Instrumentation of<br />

Agricultural Biogas Plants“. Seit 2013<br />

arbeitet er am Gummersbach Environmental<br />

Comput<strong>in</strong>g Center <strong>der</strong> FH Köln. Hauptarbeitsgebiete:<br />

Instrumentierung <strong>und</strong> Regelung umwelttechnischer Prozesse<br />

<strong>und</strong> E<strong>in</strong>satz von Methoden aus den Bereichen <strong>der</strong> multivariaten<br />

Datenanalyse, des Mach<strong>in</strong>e Learn<strong>in</strong>gs <strong>und</strong> <strong>der</strong> Computational<br />

Intelligence.<br />

Fachhochschule Köln,<br />

Gummersbach Environmental Comput<strong>in</strong>g Center,<br />

Ste<strong>in</strong>müllerallee 1, D-51643 Gummersbach,<br />

Tel. +49 (0) 2261 81 96 64 34, E-Mail: christian.wolf@fh-koeln.de<br />

Dipl.-Ing. PETER KERN M. Sc. (geb. 1977)<br />

studierte Elektrotechnik mit Schwerpunkt<br />

Automatisierung <strong>und</strong> Industrial IT an <strong>der</strong><br />

Fachhochschule Köln <strong>und</strong> im Fachgebiet<br />

regenerative Energienutzung am Institut<br />

für Technologie <strong>in</strong> den Tropen. Derzeit<br />

promoviert er an <strong>der</strong> National University<br />

of Ireland Maynooth zum Thema „Computational<br />

Intelligence Techniques for<br />

Control and Optimization of Wastewater Treatment Plants“.<br />

Fachhochschule Köln,<br />

Gummersbach Environmental Comput<strong>in</strong>g Center,<br />

Ste<strong>in</strong>müllerallee 1, D-51643 Gummersbach,<br />

Tel. +49 (0) 2261 81 96 64 34, E-Mail: peter.kern@fh-koeln.de<br />

können. Mit Vorgabe e<strong>in</strong>er Chlorkonzentration am E<strong>in</strong>speisepunkt<br />

von 1 mg/l <strong>und</strong> mit Berücksichtigung <strong>der</strong><br />

Chlorzehrung im Des<strong>in</strong>fektions- <strong>und</strong> Ablaufbecken des<br />

Grauwassermoduls kann mit Hilfe des erweiterten<br />

Rohrnetzmodells <strong>in</strong> Abhängigkeit von <strong>der</strong> produzierten<br />

Brauchwassermenge diejenige Menge an Des<strong>in</strong>fektionsmittel<br />

ermittelt werden, die für e<strong>in</strong>e ausreichende Des<strong>in</strong>fektion<br />

an <strong>der</strong> Dosierstelle dem Brauchwasser h<strong>in</strong>zugegeben<br />

werden muss. Die Auslegung wurde für Natriumhypochlorit<br />

als Des<strong>in</strong>fektionsmittel mit unterschiedlichen<br />

Aktivchlorgehalten durchgeführt. Demnach<br />

wird für e<strong>in</strong>e sichere Des<strong>in</strong>fektion des Brauchwassernetzes<br />

bei e<strong>in</strong>er Produktionskapazität von 83 m 3 /Tag je<br />

nach Aktivchlorgehalt (4 bis 20 %) e<strong>in</strong>e Des<strong>in</strong>fektionsmittelmenge<br />

zwischen 11 <strong>und</strong> 55 kg pro Tag benötigt.<br />

Das dynamische Rohrnetzmodell soll schließlich validiert<br />

<strong>und</strong> gegebenenfalls angepasst werden, damit es für<br />

die Onl<strong>in</strong>e-Simulation <strong>der</strong> Chlorzehrung <strong>und</strong> des Wie<strong>der</strong>verkeimungsrisikos<br />

entlang <strong>der</strong> Transportstrecke des<br />

Brauchwassers im Netz e<strong>in</strong>gesetzt werden kann. Damit<br />

soll während des Betriebs die Brauchwasserqualität an<br />

den Entnahmestellen kont<strong>in</strong>uierlich vorhergesagt <strong>und</strong> zur<br />

Steuerung von Gegenmaßnahmen verwendet werden.<br />

Ferner soll zukünftig untersucht werden, ob sich das<br />

Wie<strong>der</strong>verkeimungsrisiko als Qualitäts<strong>in</strong>dex aus direkt<br />

bestimmbaren Messgrößen ableiten lässt (zum Beispiel<br />

aus den Nährstoffparametern Ammonium <strong>und</strong> ortho-<br />

Phosphat, dem spektralen Absorptionskoefffizienten als<br />

Verschmutzungs<strong>in</strong>dikator, <strong>der</strong> Temperatur, <strong>der</strong> Leitfähigkeit<br />

<strong>und</strong> dem Chlorgehalt). Hierzu sollen die Datensätze<br />

<strong>der</strong> Multiparameter-Messstation zugr<strong>und</strong>e gelegt<br />

<strong>und</strong> mit Hilfe von <strong>in</strong>telligenten Methoden ausgewertet<br />

werden, um abschließend zu evaluieren, ob für die Bestimmung<br />

des hygienischen Zustands des Brauchwassernetzes<br />

e<strong>in</strong> Soft-Sensor entwickelt werden kann.<br />

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK<br />

Semizentrale, <strong>in</strong>tegrierte Infrastruktursysteme ermöglichen<br />

e<strong>in</strong>e zukunftsorientierte Ver- <strong>und</strong> Entsorgung<br />

REFERENZEN<br />

[1] Bieker, S., Cornel, P., Wagner, M.: Semicentralised supply and<br />

treatment systems: <strong>in</strong>tegrated <strong>in</strong>frastructure solutions for<br />

fast grow<strong>in</strong>g urban areas. Water Science & Technology 61(11),<br />

S. 2905-2913, 2010<br />

[2] GBT 18920-2002: The reuse of urban recycl<strong>in</strong>g water –<br />

Water quality standard for urban miscellaneous water consumption,<br />

Dezember 2002, http://www.cn-standard.net/<br />

[3] Batstone, D.J., Keller, J., Angelidaki, I., Kalyuzhnyi, S.V.,<br />

Pavlostathis, S.G., Rozzi, A., San<strong>der</strong>s, W.T.M., Siegrist, H.,<br />

Vavil<strong>in</strong>, V.A.: Anaerobic digestion model no. 1 (ADM1).<br />

In: Scientific and Technical Report No. 13. IWA Task Group for<br />

Mathematical Modell<strong>in</strong>g of Anaerobic Digestion Processes<br />

(ed.) IWA Publish<strong>in</strong>g, London 2002<br />

36<br />

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

9 / 2014


www.<strong>atp</strong>-<strong>edition</strong>.de<br />

Jetzt bestellen!<br />

von <strong>Wasser</strong> <strong>und</strong> <strong>Abwasser</strong> <strong>in</strong> schnell wachsenden<br />

urbanen Räumen. Mit <strong>der</strong> Realisierung des weltweit<br />

ersten Ver- <strong>und</strong> Entsorgungszentrums ist e<strong>in</strong> Verb<strong>und</strong>vorhaben<br />

verknüpft, dessen Zielsetzung <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />

Optimierung <strong>und</strong> Weiterentwicklung des semizentralen<br />

Konzeptes liegt. Die Validierung <strong>der</strong> Stoff<strong>und</strong><br />

Energieströme, die Übertragbarkeit des Ansatzes<br />

auf an<strong>der</strong>e Standorte <strong>und</strong> die Prozessoptimierung<br />

unter den Gesichtspunkten Betriebsstabilität,<br />

Energieeffizienz <strong>und</strong> Ressourcenschonung spielen<br />

e<strong>in</strong>e wesentliche Rolle.<br />

Für die zukünftige MSR-Technik <strong>und</strong> Prozessautomatisierung<br />

leiten sich Entwicklungsanfor<strong>der</strong>ungen<br />

ab. So wurde beispielhaft aufgezeigt, dass e<strong>in</strong> Soft-<br />

Sensor für die CSB-Bestimmung, e<strong>in</strong> Modell zur vorausschauenden<br />

Regelung des Biogas-Moduls <strong>und</strong> die<br />

dynamische Simulation des Brauchwassernetzes geeignete<br />

Werkzeuge s<strong>in</strong>d, um e<strong>in</strong>en ökonomischen <strong>und</strong><br />

sicheren Betrieb des VEZ zu gewährleisten.<br />

DANKSAGUNG<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

30.06.2014<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

Die Referenzklasse für die<br />

Automatisierungstechnik<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> ist das Fachmagaz<strong>in</strong> für die Automatisierungstechnik.<br />

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

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

automatisierungstechnischen Praxis nehmen außerdem<br />

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

Sichern Sie sich jetzt diese erstklassige Lektüre! Als<br />

exklusiv ausgestattetes Heft o<strong>der</strong> als praktisches ePaper<br />

– ideal für unterwegs, auf mobilen Endgeräten o<strong>der</strong> zum<br />

Archivieren.<br />

Wählen Sie e<strong>in</strong>fach das Bezugsangebot, das Ihnen zusagt:<br />

als Heft, ePaper o<strong>der</strong> Heft + ePaper!<br />

Wird danken dem B<strong>und</strong>esm<strong>in</strong>isterium für Bildung<br />

<strong>und</strong> Forschung (BMBF) für die f<strong>in</strong>anzielle Unterstützung<br />

<strong>der</strong> Teilprojekte (För<strong>der</strong>kennzeichen<br />

02WCL1215C <strong>und</strong> 02WCL1266C), dem Institut IWAR<br />

des Fachgebietes <strong>Abwasser</strong>technik <strong>der</strong> Technischen<br />

Universität Darmstadt für die Fe<strong>der</strong>führung<br />

des Verb<strong>und</strong>vorhabens <strong>und</strong> für die Möglichkeit<br />

als Projektpartner daran teilhaben zu können,<br />

<strong>der</strong> Forschungsgruppe Gummersbach Environmental<br />

Comput<strong>in</strong>g Center (Gecoc) <strong>der</strong> Fachhochschule<br />

Köln für die Kooperation auf dem Gebiet<br />

<strong>der</strong> Regelungstechnik sowie dem Rhe<strong>in</strong>isch-Westfälischen<br />

Institut für <strong>Wasser</strong> (IWW) für die Unterstützung<br />

bei <strong>der</strong> Rohrnetzmodellierung.<br />

[4] Gaida, D., Wolf, C., Meyer, C., Stuhlsatz, A., Lippel, J.,<br />

Bäck, T., Bongards, M., McLoone, S.: State estimation<br />

for anaerobic digesters us<strong>in</strong>g the ADM1. Water Science<br />

& Technology, 66 (5), p. 1088 - 1095, 2012<br />

[5] Gaida, D., Sousa Brito, A.L., Wolf, C., Bäck, T., Bongards,<br />

M., McLoone, S.: Optimal control of biogas plants us<strong>in</strong>g<br />

nonl<strong>in</strong>ear model predictive control.<br />

In: IET Irish Signals and Systems Conference 2011<br />

(ISSC 2011), S. 219 - 224, Dubl<strong>in</strong>, 2011<br />

[6] Wolf, C., Gaida, D., Bongards, M..: Steuerungs- <strong>und</strong><br />

Regelungskonzepte für landwirtschaftliche Biogasanlagen.<br />

In: Biogas <strong>in</strong> <strong>der</strong> Landwirtschaft – Stand <strong>und</strong><br />

Perspektiven Vol. 3, S. 225 – 234, Kassel, 2013<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> ersche<strong>in</strong>t <strong>in</strong> <strong>der</strong> DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München


HAUPTBEITRAG<br />

Anfor<strong>der</strong>ungs­ <strong>und</strong><br />

Testfall­Codesign<br />

Formalisierung <strong>und</strong> Testfall-Generierung <strong>in</strong> <strong>der</strong> Praxis<br />

Durch den verstärkten E<strong>in</strong>satz von Software <strong>in</strong> mechatronischen Systemen <strong>und</strong> die<br />

hohen Anfor<strong>der</strong>ungen an die Qualität <strong>der</strong>selben, müssen Entwicklungsprozesse bei<br />

<strong>der</strong> mechatronischen Produkt­ beziehungsweise Geräteentwicklung angepasst werden,<br />

um dem <strong>in</strong>terdiszipl<strong>in</strong>ären Charakter <strong>in</strong> <strong>der</strong> Entwicklung zu entsprechen. In<br />

diesem Beitrag wird e<strong>in</strong>e Untersuchung von aktuellen Vorgehensweisen <strong>und</strong> den<br />

sich daraus ableitenden Herausfor<strong>der</strong>ungen an das Anfor<strong>der</strong>ungs­ <strong>und</strong> Testmanagement<br />

vorgestellt. Ferner wird e<strong>in</strong> Konzept zur <strong>in</strong>tegrierten Modellierung <strong>und</strong> Spezifikation<br />

von Anfor<strong>der</strong>ungen <strong>und</strong> Testfällen vorgestellt. Fazit: E<strong>in</strong>e Formalisierung<br />

von Anfor<strong>der</strong>ungen bis h<strong>in</strong> zu semi­formalen Anfor<strong>der</strong>ungen ermöglicht bei <strong>der</strong><br />

Spezifikation e<strong>in</strong>e automatische Generierung von Testfällen.<br />

SCHLAGWÖRTER Anfor<strong>der</strong>ungs- <strong>und</strong> Testmanagement / Mechatronische Systeme /<br />

Formalisierung von Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

Requirement and Test Case Co-Design –<br />

Semi-Formalization and Test Case Generation <strong>in</strong> Practice<br />

Due to the <strong>in</strong>creas<strong>in</strong>g use of software <strong>in</strong> mechatronic systems, coupled with exact<strong>in</strong>g<br />

demands on quality, it is necessary to adapt development processes <strong>in</strong> the field of<br />

mechatronic systems eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g <strong>in</strong> or<strong>der</strong> to cope with the <strong>in</strong>terdiscipl<strong>in</strong>ary characteristics<br />

of these systems. A survey is presented of current development processes<br />

and result<strong>in</strong>g requirements on specification and test management. A concept is<br />

presented for the <strong>in</strong>tegrated modell<strong>in</strong>g and specification of requirements and test<br />

cases. It is concluded that semi­formalization of requirements forms an <strong>in</strong>tegral part<br />

of the approach mak<strong>in</strong>g the automatic generation of test cases possible.<br />

KEYWORDS requirements and test management / mechatronic systems /<br />

formalization of requirements<br />

38<br />

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

9 / 2014


SUSANNE RÖSCH, STEFAN FELDMANN, Technische Universität München<br />

DOROTHEA FÖRSTER, Schunk<br />

BIRGIT VOGEL-HEUSER, Technische Universität München<br />

Um den Anfor<strong>der</strong>ungen an e<strong>in</strong>en hohen Funktionsumfang<br />

gerecht zu werden, steigt <strong>der</strong><br />

E<strong>in</strong>satz von Software bei <strong>der</strong> Entwicklung<br />

im Masch<strong>in</strong>enbau zunehmend [1], da zusätzliche<br />

Funktionen durch die Software realisiert<br />

werden. Somit werden mehr mechatronische<br />

Produkte beziehungsweise Geräte produziert anstatt<br />

re<strong>in</strong> mechanischer Produkte. Diese kennzeichnet e<strong>in</strong>e<br />

enge Integration <strong>der</strong> Domänen Mechanik, Elektrotechnik<br />

<strong>und</strong> Informatik <strong>und</strong> sie erzielen so wertvolle Synergieeffekte.<br />

Diese Entwicklung erhöht die Produkt<strong>und</strong><br />

Prozesskomplexität <strong>und</strong> steht hohen Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

an das Qualitätsmanagement gegenüber. E<strong>in</strong>e<br />

mechatronische Produktentwicklung erfor<strong>der</strong>t Vorgehensweisen,<br />

die alle beteiligten Diszipl<strong>in</strong>en über den<br />

gesamten Entwicklungsprozess h<strong>in</strong>weg unterstützen.<br />

Neben den bisher üblichen Qualitätssicherungsmaßnahmen<br />

muss <strong>in</strong> <strong>der</strong> Testphase <strong>der</strong> Nachweis e<strong>in</strong>er<br />

hohen Softwarequalität des mechatronischen Produkts<br />

<strong>und</strong> <strong>der</strong> Korrektheit <strong>der</strong> zu realisierenden Systemfunktion<br />

erbracht werden.<br />

Um <strong>in</strong> diesem Bereich aktuelle Vorgehensweisen zu<br />

analysieren, wurden Experten aus dem Bereich Anfor<strong>der</strong>ungs­<br />

<strong>und</strong> Testmanagement von neun Masch<strong>in</strong>enbauunternehmen,<br />

<strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e Gerätehersteller aber<br />

auch Dienstleister, durch E<strong>in</strong>zel<strong>in</strong>terviews befragt.<br />

Fokus <strong>der</strong> Interviews waren aktuell e<strong>in</strong>gesetzte Methoden,<br />

Werkzeugketten <strong>und</strong> <strong>der</strong> entsprechende Handlungsbedarf,<br />

um das Anfor<strong>der</strong>ungs­ <strong>und</strong> Testmanagement<br />

zu verbessern.<br />

Die Ergebnisse <strong>der</strong> Interviews zeigten, dass das Anfor<strong>der</strong>ungsmanagement<br />

<strong>und</strong> entsprechende Dokumente<br />

meist durch sequenzielle Listen mit e<strong>in</strong>er Unterteilung<br />

<strong>in</strong> funktionale <strong>und</strong> nicht­funktionale Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

geprägt s<strong>in</strong>d. Die Beschreibung <strong>der</strong> Anfor<strong>der</strong>ungen erfolgt<br />

vorwiegend <strong>in</strong> <strong>in</strong>formeller textueller Form, <strong>und</strong> es<br />

gibt ke<strong>in</strong>e o<strong>der</strong> nur wenige Vorgaben bezüglich des zu<br />

verwendenden Vokabulars, <strong>der</strong> Ausführlichkeit <strong>der</strong><br />

Beschreibung o<strong>der</strong> genauen Parametervariationen, die<br />

für die Durchführung von Testfällen notwendig s<strong>in</strong>d.<br />

Die <strong>in</strong>formelle Formulierung kann zu falscher Interpretation<br />

<strong>und</strong> damit zu Fehlern führen.<br />

Da zumeist mehrere Personen an e<strong>in</strong>em Anfor<strong>der</strong>ungsdokument<br />

arbeiten, bei den befragten Unternehmen<br />

durchschnittlich zwischen e<strong>in</strong>er <strong>und</strong> drei bis h<strong>in</strong><br />

zu sieben Personen, ergeben sich oft Inkonsistenzen<br />

bezüglich verwendeter Begrifflichkeiten <strong>und</strong> letztendlich<br />

<strong>der</strong> Anfor<strong>der</strong>ungen selbst.<br />

Im Anfor<strong>der</strong>ungsmanagement werden die spezifizierten<br />

Anfor<strong>der</strong>ungen selten auf ihre Testbarkeit h<strong>in</strong><br />

überprüft. Hier ist teilweise e<strong>in</strong> Bruch beim Übergang<br />

vom Anfor<strong>der</strong>ungs­ zum Testmanagement zu sehen.<br />

E<strong>in</strong>e automatische Generierung von Testfällen hat<br />

bisher kaum E<strong>in</strong>zug bei <strong>der</strong> mechatronischen Produktentwicklung<br />

gehalten. Weiterh<strong>in</strong> werden Testfälle<br />

oft erst erstellt, wenn das Produkt schon fertiggestellt<br />

ist (zwei von neun befragten Unternehmen) o<strong>der</strong><br />

sich zum<strong>in</strong>dest schon <strong>in</strong> <strong>der</strong> Design­Phase bef<strong>in</strong>det<br />

(fünf von neun befragten Unternehmen). Dies hat zur<br />

Folge, dass Inkonsistenzen <strong>in</strong> den Anfor<strong>der</strong>ungsdokumenten<br />

teilweise erst sehr spät aufgedeckt werden<br />

<strong>und</strong> späte Än<strong>der</strong>ungen durchgeführt werden müssen.<br />

Das verursacht hohe Kosten, da die Än<strong>der</strong>ungen <strong>in</strong><br />

allen Phasen des Entwicklungsprozesses nachgezogen<br />

werden müssen [2].<br />

Auf Basis <strong>der</strong> Interviews wurden folgende Ziele <strong>in</strong><br />

Form e<strong>in</strong>er gewichteten Wunschliste <strong>der</strong> befragten Unternehmen<br />

def<strong>in</strong>iert:<br />

Anfor<strong>der</strong>ungsspezifikation: Def<strong>in</strong>ition e<strong>in</strong>er auf<br />

Systemebene möglichst umfassend abgestimmten<br />

<strong>und</strong> abgesicherten Spezifikation <strong>der</strong> Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

(sehr wichtig)<br />

Nachverfolgbarkeit (Traceability): frühzeitige Integration<br />

<strong>der</strong> Zusammenhänge zwischen Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

<strong>und</strong> Testfällen (sehr wichtig), um Wi<strong>der</strong>sprüche<br />

frühzeitig beheben zu können (wichtig)<br />

Testfallentwurf: frühzeitiger, systematischer Entwurf<br />

<strong>der</strong> Testfälle auf Basis <strong>der</strong> Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

(sehr wichtig) mit möglichst hoher Testabdeckung<br />

bei möglichst ger<strong>in</strong>gem Aufwand (sehr wichtig)<br />

Beim im Beitrag vorgestellten Ansatz wurde diese<br />

Wunschliste berücksichtigt <strong>und</strong> e<strong>in</strong> Konzept für e<strong>in</strong>e<br />

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

9 / 2014<br />

39


HAUPTBEITRAG<br />

entsprechende Vorgehensweise entwickelt. Das Konzept<br />

wurde unter stetiger Diskussion <strong>der</strong> Ergebnisse mit<br />

den befragten Unternehmen erarbeitet <strong>und</strong> an Industriebeispielen<br />

evaluiert.<br />

1. STAND DER TECHNIK<br />

Die fehlende Formalisierung von Anfor<strong>der</strong>ungen wird<br />

<strong>in</strong> vielen Forschungsarbeiten adressiert. Für die formale<br />

Beschreibung von Anfor<strong>der</strong>ungen existieren verschiedene<br />

Möglichkeiten von textuellen Beschreibungen<br />

[3] über e<strong>in</strong>e Darstellung <strong>in</strong> Form von Automaten<br />

o<strong>der</strong> Zustandsdiagrammen [4] bis h<strong>in</strong> zur tabellarischen<br />

Darstellung [5]. Nach ersten Untersuchungen<br />

erlaubt e<strong>in</strong>e tabellarische Darstellung e<strong>in</strong> schnelleres<br />

Verständnis <strong>und</strong> e<strong>in</strong>en besseren Überblick, im Gegensatz<br />

zu an<strong>der</strong>en Darstellungen bei formalen Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

[6]. Insbeson<strong>der</strong>e für sicherheitskritische<br />

Anfor<strong>der</strong>ungen ist e<strong>in</strong>e <strong>in</strong>konsistente Anfor<strong>der</strong>ungserhebung<br />

e<strong>in</strong> Problem, weshalb gerade für diesen Anwendungsfall<br />

Ansätze zur Formalisierung von sicherheitskritischen<br />

Anfor<strong>der</strong>ungen <strong>und</strong> Safety-Patterns<br />

entwickelt wurden [7]. Aufbauend auf formalen Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

gibt es bereits zahlreiche Ansätze, bei denen<br />

Testfälle automatisch generiert werden [8, 9]. Weiterh<strong>in</strong><br />

werden formale Modelle für e<strong>in</strong>e automatische Transformation<br />

zwischen Steuerungsprogrammen <strong>und</strong> Modell,<br />

wie beispielsweise <strong>in</strong> [10], zur Überprüfung des<br />

korrekten Systemverhaltens genutzt <strong>und</strong> lassen sich für<br />

die Verifikation verwenden. Auch modellbasierte Ansätze,<br />

die auf Basis e<strong>in</strong>er semantisch spezifizierten Modellierungssprache<br />

die nutzergerechte Modellierung<br />

<strong>und</strong> die automatische Testfallgenerierung ermöglichen,<br />

wie zum Beispiel <strong>in</strong> [11] vorgeschlagen, bieten vielversprechende<br />

Ansätze, die Formalisierung von Systembeschreibungen<br />

voranzutreiben. Allerd<strong>in</strong>gs steht bei<br />

diesen Ansätzen das Ziel <strong>der</strong> Integration mit aktuellen<br />

Vorgehensweisen, bei denen e<strong>in</strong>e Pflichtenheftbeschreibung<br />

<strong>und</strong> abschließende Tests auf Black-Box-<br />

Ebene zum E<strong>in</strong>satz kommen, die für die K<strong>und</strong>en als<br />

Nachweis dienen, nicht im Fokus.<br />

Auch e<strong>in</strong>e Übergabe an die Systementwicklung erfolgt<br />

meist manuell, <strong>und</strong> es existieren ke<strong>in</strong>e durchgängigen<br />

Werkzeugketten, wie beispielsweise e<strong>in</strong>e <strong>in</strong> [12]<br />

vorgeschlagene formale Prozessbeschreibung mit Anfor<strong>der</strong>ungserhebung,<br />

die e<strong>in</strong>e durchgängige Übergabe<br />

von Information bis <strong>in</strong> die Entwicklung ermöglicht.<br />

Diese bezieht sich jedoch hauptsächlich auf die E<strong>in</strong>schränkung<br />

<strong>der</strong> technischen Ressourcen <strong>in</strong> Zusammenhang<br />

mit den Prozessschritten, <strong>und</strong> <strong>der</strong> Test steht<br />

nicht im Vor<strong>der</strong>gr<strong>und</strong>.<br />

2. KONZEPT ZUM ANFORDERUNGS- UND<br />

TESTFALL-CODESIGN<br />

Im Folgenden wird <strong>der</strong> Ansatz für e<strong>in</strong> <strong>in</strong>tegriertes Anfor<strong>der</strong>ungs-<br />

<strong>und</strong> Testfall-Codesign vorgestellt, siehe<br />

Bild 1, <strong>der</strong> den Entwicklungsprozess von <strong>der</strong> Anfor<strong>der</strong>ungserhebung<br />

bis h<strong>in</strong> zum Test unterstützen soll. Der<br />

Ansatz sieht zunächst die Modellierung von Features<br />

vor, die hier im S<strong>in</strong>ne e<strong>in</strong>er allgeme<strong>in</strong>en Beschreibung<br />

von K<strong>und</strong>enfunktionen verwendet werden. Anschließend<br />

ist e<strong>in</strong>e Modellierung <strong>der</strong> Anfor<strong>der</strong>ungen an die<br />

Features vorgesehen, Bild 1, . Dazu wurden Schablonen<br />

entworfen, die die wichtigsten Elemente zur Modellierung<br />

<strong>der</strong>selben enthalten. Die Elemente wurden<br />

nach Analyse von Pflichtenheften aus drei <strong>der</strong> befragten<br />

neun Unternehmen <strong>und</strong> dem aktuellen Stand<br />

<strong>der</strong> Technik entworfen. Die Modellierung des Systems<br />

erfolgt hierbei aus Black-Box-Sicht. Es soll auch aus<br />

K<strong>und</strong>ensicht nachvollziehbar se<strong>in</strong>, wie sich das System<br />

von außen verhält.<br />

Weiterh<strong>in</strong> sieht die Vorgehensweise e<strong>in</strong>e Formalisierung<br />

<strong>der</strong> funktionalen bis h<strong>in</strong> zu semi-formalen Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

vor, Bild 1, , die im Abschnitt 2.3 im Detail<br />

erläutert wird. Dies dient dem Ziel <strong>der</strong> schnellen, effizienten<br />

Testfallerstellung für funktionale Anfor<strong>der</strong>ungen,<br />

da auf Basis <strong>der</strong> semi-formalen Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

automatisiert Testfälle generiert werden können, Bild<br />

1, . Nachdem die Phase <strong>der</strong> Anfor<strong>der</strong>ungsdef<strong>in</strong>ition<br />

abgeschlossen ist, folgt e<strong>in</strong>e Übergabe an die Systementwicklung,<br />

die unter an<strong>der</strong>em durch e<strong>in</strong>e Visualisierung<br />

<strong>in</strong> Klassifikationsbäumen umgesetzt wird, Bild 1,<br />

, die <strong>in</strong> Abschnitt 2.5 im Detail erläutert werden. Auf<br />

Basis des Ansatzes wird das Anfor<strong>der</strong>ungs- <strong>und</strong> Testmanagement<br />

enger verzahnt.<br />

2.1 Anwendungsbeispiel<br />

Zur Illustration des Konzepts wird <strong>in</strong> diesem Beitrag<br />

e<strong>in</strong> reales Anwendungsbeispiel LED-Anzeige aus dem<br />

Unternehmen Schunk verwendet, das für die Darstellung<br />

stark vere<strong>in</strong>facht wurde. Weitere typische Anwendungsfälle,<br />

auf denen <strong>der</strong> Fokus für die Entwicklung<br />

<strong>der</strong> Vorgehensweise lag, s<strong>in</strong>d Geräte wie Stellventile<br />

o<strong>der</strong> Produkte aus <strong>der</strong> Messtechnik wie Wegaufnehmer.<br />

Die Anzeige soll Auskunft über den Status von Motoren,<br />

wie zum Beispiel die Funktionsfähigkeit, Firmware-Updates,<br />

E<strong>in</strong>schaltvorgang <strong>und</strong> Fehler, geben <strong>und</strong><br />

sich als zusätzliche Komponente e<strong>in</strong>setzen lassen. Geplant<br />

ist e<strong>in</strong>e Anzeige mit: zwei grünen LED-Elementen<br />

LED_Logik <strong>und</strong> LED_Motor, e<strong>in</strong>er roten LED_Fehler <strong>und</strong><br />

e<strong>in</strong>er gelben LED_Ready, siehe Bild 2. Als Vorgabe für<br />

das funktionale Verhalten <strong>der</strong> Anzeige werden unter<br />

an<strong>der</strong>em folgende Anfor<strong>der</strong>ungen gestellt:<br />

Anfor<strong>der</strong>ung A1: Die LEDs LED_Logik <strong>und</strong> LED_<br />

Motor müssen immer e<strong>in</strong>geschaltet se<strong>in</strong>, wenn das<br />

Modul funktionsfähig ist. Der Status Fehler darf<br />

zugleich nicht aktiv se<strong>in</strong>.<br />

Anfor<strong>der</strong>ung A2: Beim E<strong>in</strong>schaltvorgang muss<br />

LED_Fehler e<strong>in</strong>geschaltet <strong>und</strong> LED_Ready ausgeschaltet<br />

se<strong>in</strong>.<br />

Anfor<strong>der</strong>ung A3: Die Fehlercodes E.72 (Error_Logic_Low),<br />

E.73 (Error_Logic_High), E.74 (Error_Mo-<br />

40<br />

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

9 / 2014


tor_Low) <strong>und</strong> E.75 (Error_Motor_High), die das<br />

Über­ beziehungsweise Unterschreiten e<strong>in</strong>er Höchsto<strong>der</strong><br />

M<strong>in</strong>destspannung repräsentieren, müssen visualisiert<br />

werden. Gleichzeitig soll <strong>der</strong> Status Fehler<br />

aktiv se<strong>in</strong>. Für die Visualisierung dürfen nicht LED_<br />

Logik <strong>und</strong> LED_Motor verwendet werden.<br />

In das Pflichtenheft fließen auch Anfor<strong>der</strong>ungen aus<br />

Leitfäden für Statusanzeigen e<strong>in</strong>. Ziel des Anfor<strong>der</strong>ungs­<br />

<strong>und</strong> Testfall­Codesigns ist es, e<strong>in</strong> konsistentes<br />

Pflichtenheft <strong>und</strong> e<strong>in</strong>e Testfallspezifikation zu erstellen.<br />

2.2 Modellierung von Features <strong>und</strong> Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

Für die <strong>in</strong>tegrierte Modellierung von Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

<strong>und</strong> Features wurden die Schablonen Feature <strong>und</strong> Requirement<br />

entworfen. Allgeme<strong>in</strong> enthalten alle Schablonen<br />

neben <strong>der</strong> tatsächlichen Formulierung <strong>und</strong> Detaillierung<br />

<strong>der</strong> Anfor<strong>der</strong>ungen zusätzliche Information,<br />

das heißt Metadaten zu Ersteller, Version <strong>und</strong> Datum<br />

<strong>und</strong> K l a s s i fi k a t i o n , die zu e<strong>in</strong>er vollständigen Pflichtenheftbeschreibung<br />

gehören (Bild 3).<br />

Die Schablone Feature<br />

Die Schablone für das Feature enthält über die entsprechenden<br />

Metadaten h<strong>in</strong>aus zur Modellierung das Feld<br />

Content, siehe Bild 3, <strong>in</strong> dem wichtige Attribute wie<br />

die Priorität <strong>und</strong> e<strong>in</strong>e Beschreibung des Features def<strong>in</strong>iert<br />

werden können. In e<strong>in</strong>em Feature werden alle<br />

System­Parameter gesammelt, die später <strong>in</strong>nerhalb <strong>der</strong><br />

Anfor<strong>der</strong>ungen verwendet werden. Das System wird<br />

als Black­Box betrachtet <strong>und</strong> die Parameter mit e<strong>in</strong>er<br />

Richtung In für E<strong>in</strong>gangswerte, Out für Ausganswerte<br />

o<strong>der</strong> InOut für E<strong>in</strong>­/Ausgangswerte versehen.<br />

Das Feature des Anwendungsbeispiels bezieht sich im<br />

Beitrag auf die Komponente LED­Anzeige. Die System­<br />

Parameter s<strong>in</strong>d zum e<strong>in</strong>en die LEDs, aber ebenso <strong>der</strong><br />

Status <strong>und</strong> alle weiteren Signale, die bei <strong>der</strong> Black­Box­<br />

Betrachtung e<strong>in</strong>e Rolle spielen. Hier übernimmt <strong>der</strong><br />

Entwickler beim Anfor<strong>der</strong>ungs­ <strong>und</strong> Testmanagement<br />

e<strong>in</strong>e wesentliche Rolle, da er nicht nur Parameter, die<br />

automatisiert verarbeitet werden können spezifizieren<br />

kann, son<strong>der</strong>n auch Parameter, die eventuell manuell<br />

vom Tester manipuliert <strong>und</strong> angepasst werden müssen.<br />

In dem LED­Beispiel s<strong>in</strong>d die LEDs die nach außen<br />

sichtbare Visualisierung, daher wird hier die Richtung<br />

Out def<strong>in</strong>iert, siehe zum Beispiel Bild 3, Anfor<strong>der</strong>ung<br />

A1, LED_Logik. Die Error­Parameter gehen als Input zur<br />

Anzeige <strong>und</strong> sollen auch nach außen visualisiert werden.<br />

Für die Visualisierung wird <strong>der</strong> Ausgangsparameter<br />

7­Segment­Anzeige mit den Werten E.72 bis E.75<br />

e<strong>in</strong>geführt, siehe Bild 3, Feature Fehleranzeige.<br />

Die Schablone Requirement<br />

In den Schablonen, die die Anfor<strong>der</strong>ungen beschreiben,<br />

werden die im Feature def<strong>in</strong>ierten Parameter zue<strong>in</strong>an<strong>der</strong><br />

<strong>in</strong> Beziehung gesetzt. Es werden außerdem funktionale<br />

<strong>und</strong> nicht­funktionale Anfor<strong>der</strong>ungen klassifiziert, was<br />

für die weitere Formalisierung <strong>und</strong> Testfallgenerierung<br />

wichtig ist, da diese ausschließlich auf den funktionalen<br />

Anfor<strong>der</strong>ungen aufbauen. Da Anfor<strong>der</strong>ungen beim Anfor<strong>der</strong>ungs­<br />

<strong>und</strong> Testfall­Codesign unter dem Aspekt <strong>der</strong><br />

Testbarkeit betrachtet werden, werden zeitliche Anfor­<br />

BILD 1: Übersicht über das<br />

Konzept zum <strong>in</strong>tegrierten<br />

Anfor<strong>der</strong>ungs- <strong>und</strong> Testfall-<br />

Codesign.<br />

BILD 2: Zu spezifizierendes <strong>und</strong> zu<br />

testendes Produkt LED-Anzeige<br />

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

9 / 2014<br />

41


HAUPTBEITRAG<br />

<strong>der</strong>ungen, im Unterschied zur ISO 25010 [13], zu den<br />

funktionalen Anfor<strong>der</strong>ungen gezählt. Zu den nicht­funktionalen<br />

Anfor<strong>der</strong>ungen gehören alle an<strong>der</strong>en Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

nach ISO 25010, wie beispielsweise Usability.<br />

Im Content­Teil <strong>der</strong> Anfor<strong>der</strong>ungen werden die nach<br />

<strong>der</strong> Ist­Analyse identifizierten wichtigsten Beschreibungselemente,<br />

die <strong>in</strong> den meisten Pflichtenheften enthalten<br />

s<strong>in</strong>d, wie Priorität <strong>und</strong> Beschreibung, def<strong>in</strong>iert.<br />

Somit enthält die Schablone die Elemente, die <strong>in</strong> den<br />

etablierten Prozessen bei den Unternehmen beschrieben<br />

werden müssen. Weiterh<strong>in</strong> werden Parametervariationen<br />

def<strong>in</strong>iert, die sich aus <strong>der</strong> Anfor<strong>der</strong>ung ableiten.<br />

Parametervariationen dienen zur Angabe des gültigen<br />

Bereichs von Parametern. Für e<strong>in</strong>en Parameter des Typs<br />

Fließkommazahl könnte dies zum Beispiel e<strong>in</strong> def<strong>in</strong>iertes<br />

Intervall wie beispielsweise 15 bis 30 se<strong>in</strong>.<br />

E<strong>in</strong> Aspekt, <strong>der</strong> bisher <strong>in</strong> <strong>der</strong> frühen Phase von Entwicklungsprozessen<br />

meist vernachlässigt wird, ist die<br />

Testbarkeitsbetrachtung. Die Tatsache, dass e<strong>in</strong>e Anfor<strong>der</strong>ung<br />

gegebenenfalls nicht testbar ist, fällt auf diese<br />

Weise oft erst <strong>in</strong> späten Phasen auf <strong>und</strong> ist zum Beispiel<br />

auf fehlende Beschreibung von für e<strong>in</strong>en Test<br />

notwendigen Parametervariationen o<strong>der</strong> fehlende Aussagekraft<br />

e<strong>in</strong>er Anfor<strong>der</strong>ung (Testziel) zurückzuführen.<br />

Ohne die Angabe <strong>der</strong> Parametervariation lässt sich<br />

nicht bestimmen welche Teste<strong>in</strong>gabedaten gültig s<strong>in</strong>d<br />

<strong>und</strong> welche nicht. Dies wird <strong>in</strong> <strong>der</strong> Anfor<strong>der</strong>ungsschablone<br />

(requirement) explizit adressiert.<br />

In Bild 3 ist e<strong>in</strong>e ausgefüllte Schablone für Anfor<strong>der</strong>ung<br />

A1 ohne den Teil Formalization dargestellt, die im<br />

Abschnitt 2.3 im Detail beschrieben wird. Die Parametervariationen<br />

werden <strong>in</strong> Anfor<strong>der</strong>ung A1 nicht e<strong>in</strong>geschränkt<br />

<strong>und</strong> können alle die nach dem Typ möglichen<br />

Werte annehmen, gekennzeichnet durch das Symbol*.<br />

Für Status ist dies zum Beispiel E<strong>in</strong>schaltend o<strong>der</strong> Info.<br />

2.3 Semi-Formalisierung <strong>der</strong> Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

Aufgr<strong>und</strong> <strong>der</strong> nach [6] untersuchten guten Lesbarkeit<br />

von formalen Spezifikationen durch Wahrheitstabellen<br />

wurde diese Darstellungsform für die Vorgehensweise<br />

gewählt. Die Notation dieser semi­formalen Beschreibung<br />

ist <strong>der</strong> formalen Beschreibung <strong>der</strong> SpecTRM­RL<br />

[5] sehr ähnlich. Jedoch ist die SpecTRM­RL auf e<strong>in</strong>e<br />

vollständige formale Beschreibung des Systems ausgelegt,<br />

was <strong>der</strong> Anfor<strong>der</strong>ung e<strong>in</strong>er aufwandsarmen<br />

Spezifikation wi<strong>der</strong>spricht.<br />

Die Formalisierung erfolgt anhand von Wahrheitstabellen,<br />

<strong>in</strong> denen die Ausgangsparameter mit wahr (T),<br />

falsch (F) <strong>und</strong> don‘t care (*) beschrieben werden. E<strong>in</strong><br />

Ausgangsparameter nimmt dabei genau den Wert an,<br />

für den die <strong>in</strong> <strong>der</strong> Tabelle spezifizierten Bed<strong>in</strong>gungen<br />

erfüllt s<strong>in</strong>d. Bed<strong>in</strong>gungen können dabei durch die<br />

Komb<strong>in</strong>ation e<strong>in</strong>zelner Variablenbelegungen formuliert<br />

werden, die <strong>in</strong> den Wahrheitstabellen grafisch h<strong>in</strong>terlegt<br />

s<strong>in</strong>d, siehe Bild 4. Das zeilen­ <strong>und</strong> spaltenweise<br />

Formulieren des Wahrheitsgehalts erlaubt die Verknüpfung<br />

<strong>der</strong> Variablenbelegungen durch e<strong>in</strong> logisches<br />

AND (zeilenweise) beziehungsweise OR (spaltenweise).<br />

Da die Bed<strong>in</strong>gungen e<strong>in</strong>e semi­formale Beschreibung<br />

zulassen, ist die Formulierung von komplexen Bed<strong>in</strong>gungen<br />

möglich. E<strong>in</strong> Beispiel ist e<strong>in</strong> kont<strong>in</strong>uierlich<br />

steigendes Signal, wofür e<strong>in</strong>e entsprechende Parametervariation,<br />

zum Beispiel var1 == 3*t, also die Bed<strong>in</strong>gung,<br />

dass var1 über die Zeit kont<strong>in</strong>uierlich größer<br />

BILD 3: Modell des<br />

Anwendungsbeispiels.<br />

Detaildarstellung<br />

des<br />

Features Fehleranzeige<br />

<strong>und</strong> <strong>der</strong><br />

Anfor<strong>der</strong>ung A1.<br />

42<br />

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

9 / 2014


wird, angelegt werden muss. Die E<strong>in</strong>stufung unter<br />

Testability muss dann semi­automatisch o<strong>der</strong> manuell<br />

erfolgen, da hier <strong>der</strong> Test<strong>in</strong>genieur für die konkrete<br />

Umsetzung dieses Signals zuständig ist. Damit werden<br />

dem Entwickler bei <strong>der</strong> Testfallbeschreibung kreative<br />

Freiräume e<strong>in</strong>geräumt, um die Spezifikation nach se<strong>in</strong>en<br />

beziehungsweise den Wünschen des Unternehmens<br />

anzupassen.<br />

Die Wahrheitstabellen können auf Basis <strong>der</strong> E<strong>in</strong>gabedaten<br />

ausgewertet werden. Auf Basis <strong>der</strong> modellierten<br />

Anfor<strong>der</strong>ungen lassen sich für die generierten Komb<strong>in</strong>ationen<br />

an E<strong>in</strong>gangsvariablen somit entsprechende<br />

erwartete Belegungen <strong>der</strong> Ausgangsvariablen generieren.<br />

Darüber h<strong>in</strong>aus können Konsistenzprüfungsmechanismen<br />

auf die formalisierten Anfor<strong>der</strong>ungen angewandt<br />

werden, um zum Beispiel wi<strong>der</strong>sprüchliche<br />

Anfor<strong>der</strong>ungen o<strong>der</strong> Mehrdeutigkeiten <strong>in</strong> <strong>der</strong> Spezifikation<br />

zu identifizieren. E<strong>in</strong>e erste Anwendung <strong>in</strong> Zusammenspiel<br />

mit <strong>der</strong> Vorgehensweise zum Anfor<strong>der</strong>ungs­<br />

<strong>und</strong> Testfall­Codesign wird <strong>in</strong> [14] vorgestellt.<br />

Im Anwendungsbeispiel, siehe Bild 4, nimmt LED_<br />

Fehler den Wert on an, falls <strong>der</strong> Status E<strong>in</strong>schaltend<br />

(Status == E<strong>in</strong>schaltend ist wahr) vorliegt.<br />

Wenn alle Anfor<strong>der</strong>ungen nach diesem Schema semiformalisiert<br />

wurden, werden die e<strong>in</strong>em Feature zugehörigen<br />

Anfor<strong>der</strong>ungen gesammelt <strong>und</strong> für die Testfallgenerierung<br />

ausgewertet.<br />

2.4 Automatische Generierung <strong>der</strong> Testfälle<br />

Ziel <strong>der</strong> Testfallgenerierung ist e<strong>in</strong>e standardisierte<br />

<strong>und</strong> durchgängige Vorgehensweise für die Erstellung<br />

BILD 4: Semi-Formalisierung <strong>der</strong><br />

Anfor<strong>der</strong>ungen A1, A2 <strong>und</strong> A3.<br />

von Testfällen, bei <strong>der</strong> sich im Anschluss e<strong>in</strong>e genaue<br />

Aussage über die Testabdeckung machen lässt. Mit <strong>der</strong><br />

Formalisierung <strong>der</strong> funktionalen Anfor<strong>der</strong>ungen zu<br />

semi­formalen Beschreibungen werden dabei die Ausgaben<br />

bei <strong>der</strong> Testfallgenerierung erzeugt. Die Testfälle<br />

für nicht­funktionale Anfor<strong>der</strong>ungen werden manuell<br />

angelegt.<br />

Für die Wahl <strong>der</strong> Teste<strong>in</strong>gabedaten gibt es verschiedene<br />

Kriterien. So muss entschieden werden, wie groß<br />

die Stichprobe für e<strong>in</strong>en Parameter se<strong>in</strong> soll. Der Parameter<br />

Motorspannung, <strong>der</strong> durch e<strong>in</strong>e weitere Anfor<strong>der</strong>ung<br />

beschrieben wird, hat se<strong>in</strong>en gültigen Bereich<br />

zwischen 15 <strong>und</strong> 30 V. Um e<strong>in</strong>e volle Testabdeckung<br />

für gültige Teste<strong>in</strong>gabedaten zu erreichen,<br />

müsste nun je<strong>der</strong> mögliche Wert getestet werden, was<br />

jedoch bei <strong>der</strong> tatsächlichen Durchführung meist<br />

nicht realisierbar ist. Wie groß die Stichprobe se<strong>in</strong><br />

muss, liegt vorrangig im Entscheidungsspielraum des<br />

Test<strong>in</strong>genieurs, <strong>der</strong> dies auf Erfahrungsbasis festlegt.<br />

Dieses Know­how wird bei <strong>der</strong> Modellierung durch<br />

die Festlegung des Attributs step-size <strong>in</strong>tegriert. Dadurch<br />

wird entschieden, wie viele Testfälle generiert<br />

werden, <strong>in</strong>dem im Bereich <strong>der</strong> gültigen Variation des<br />

Parameters Werte mit dem Abstand step-size als Teste<strong>in</strong>gabe<br />

generiert werden. Für die Generierung <strong>der</strong><br />

Teste<strong>in</strong>gabedaten gibt es viele Kriterien, wie zum Beispiel<br />

die Generierung aller möglichen E<strong>in</strong>gabekomb<strong>in</strong>ationen,<br />

die berücksichtigt werden können [15]. Beim<br />

vorgestellten Ansatz wurde das Generierungskriterium,<br />

dass je<strong>der</strong> durch die Schrittweite def<strong>in</strong>ierte Wert<br />

m<strong>in</strong>destens e<strong>in</strong>mal getestet werden muss, als Gr<strong>und</strong>lage<br />

gewählt. Da Negativtests e<strong>in</strong>e wichtige Rolle beim<br />

Testen spielen, müssen zusätzlich Tests mit ungültigen<br />

Teste<strong>in</strong>gabedaten spezifiziert <strong>und</strong> durchgeführt<br />

werden. Für die Negativtests werden die ungültigen<br />

Grenzwerte als Teste<strong>in</strong>gabe mitgeneriert, da gerade <strong>in</strong><br />

diesem Bereich viele Fehler aufgedeckt werden können<br />

[16]. Die Bestimmung <strong>der</strong> Ausgabedaten erfolgt<br />

anhand <strong>der</strong> <strong>in</strong> Abschnitt 2.3 beschriebenen Auswertung<br />

<strong>der</strong> Wahrheitstabellen.<br />

Die für funktionale Anfor<strong>der</strong>ungen <strong>und</strong> abgeleitete<br />

Testfälle e<strong>in</strong>gesetzte Schablone ist für alle Testfälle vorgesehen<br />

<strong>und</strong> kann für nicht­funktionale Anfor<strong>der</strong>ungen,<br />

wie Geschäfts­ o<strong>der</strong> Prozessanfor<strong>der</strong>ungen, Produktionskosten,<br />

manuell angelegt werden. Diese s<strong>in</strong>d dann<br />

unter <strong>der</strong> Bewertung Rat<strong>in</strong>g als manuell e<strong>in</strong>zuordnen,<br />

da sie nicht durch e<strong>in</strong>en klassischen Testfall son<strong>der</strong>n<br />

von e<strong>in</strong>er Person manuell überprüft werden müssen.<br />

In Bild 5 ist e<strong>in</strong> Beispiel für e<strong>in</strong>en e<strong>in</strong>zelnen generierten<br />

Testfall dargestellt. Die Logikspannung ist außerhalb<br />

des gültigen Bereichs (<strong>der</strong> gültige Bereich ist<br />

24 V) <strong>und</strong> <strong>der</strong> Status Fehler wird gemeldet. Die Auswertung<br />

<strong>der</strong> Wahrheitstabellen führt zur erwarteten Anzeige<br />

<strong>der</strong> LEDs <strong>und</strong> <strong>der</strong> Ausgabe E.72 auf <strong>der</strong> 7­Segment­<br />

Anzeige. Auf <strong>der</strong> rechten Seite von Bild 5 wird zudem<br />

e<strong>in</strong> Sequenzdiagramm gezeigt, dass die zu erwartende<br />

Sequenz <strong>der</strong> Ausgabevariablen visualisiert, womit <strong>der</strong><br />

Test<strong>in</strong>genieur die tatsächliche mit <strong>der</strong> zu erwartenden<br />

Systemreaktion vergleichen kann.<br />

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

9 / 2014<br />

43


HAUPTBEITRAG<br />

2.5 Übergabe an Design-/Systementwicklung<br />

Als Bestandteil des Anfor<strong>der</strong>ungs­ <strong>und</strong> Testfall­Codesigns<br />

können generierte Testfälle <strong>in</strong>nerhalb e<strong>in</strong>es<br />

Klassifikationsbaums dargestellt werden. In Bild 6 auf<br />

<strong>der</strong> l<strong>in</strong>ken Seite ist das Ergebnis dieser Generierung für<br />

das Beispiel LED zu sehen. Der Klassifikationsbaum hat<br />

sich für die Darstellung von Teste<strong>in</strong>gabedaten im Bereich<br />

des Testmanagements etabliert [15], da sich Black­<br />

Box­Tests übersichtlich darstellen lassen. Jede Spalte<br />

steht für e<strong>in</strong>en konkreten Wert e<strong>in</strong>es Teste<strong>in</strong>gabeparameters,<br />

jede Zeile für e<strong>in</strong>en konkreten Test. In dem<br />

Baum bezeichnen die farblich markierten Teste<strong>in</strong>gabedaten<br />

ungültige Werte <strong>und</strong> somit Negativtests. Bei <strong>der</strong><br />

Vorgehensweise kann dieser automatisiert generiert<br />

werden. Die für die spezifizierten E<strong>in</strong>gaben erwarteten<br />

Ausgaben s<strong>in</strong>d aus Bild 6 rechts ersichtlich <strong>und</strong> dienen<br />

als Ergänzung.<br />

3. DISKUSSION UND BEWERTUNG DES ANSATZES<br />

Die Evaluation <strong>der</strong> Vorgehensweise erfolgte anhand<br />

e<strong>in</strong>es Fragebogens, <strong>der</strong> die aktuell vorherrschenden<br />

Vorgehensweisen dem im Beitrag vorgestellten Anfor<strong>der</strong>ungs­<br />

<strong>und</strong> Testfall­Codesign gegenüberstellt. Um<br />

den Teilnehmern an den E<strong>in</strong>zel<strong>in</strong>terviews e<strong>in</strong>e umfassende<br />

Entscheidungsbasis für die Bewertung zu<br />

ermöglichen, wurde e<strong>in</strong> Workshop durchgeführt, <strong>in</strong><br />

dem die Vorgehensweise mit Hilfe e<strong>in</strong>es Leitfadens<br />

erläutert <strong>und</strong> geme<strong>in</strong>schaftlich anhand von zwei Beispielen<br />

aus <strong>der</strong> Industrie erarbeitet wurde, e<strong>in</strong>es davon<br />

das hier vorgestellte Anwendungsbeispiel. Die Probanden<br />

setzten sich aus sechs Experten aus fünf Unternehmen<br />

zusammen.<br />

Im Workshop konnte bei <strong>der</strong> Modellierung <strong>der</strong> Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

bereits früh e<strong>in</strong>e Inkonsistenz aufgedeckt<br />

werden. Beim Beispiel <strong>der</strong> LED­Anzeige wird durch<br />

BILD 5: Schablone für Testfälle, Beispiel mit e<strong>in</strong>er<br />

ungültigen E<strong>in</strong>gabe für die Logikspannung<br />

BILD 7: Bewertung <strong>der</strong> Vorgehensweise im<br />

Vergleich zu aktuellen Vorgehensweisen im Bereich<br />

Anfor<strong>der</strong>ungs- <strong>und</strong> Testmanagement<br />

BILD 6: Darstellung <strong>der</strong><br />

Teste<strong>in</strong>gabedaten <strong>und</strong> <strong>der</strong><br />

erwarteten Ausgaben <strong>in</strong><br />

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

44<br />

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

9 / 2014


Anfor<strong>der</strong>ung A3 die Anzeige von vier Fehlercodes gefor<strong>der</strong>t,<br />

wobei LED_Fehler auf jeden Fall im Status on<br />

se<strong>in</strong> soll. Durch die detaillierte Modellierung <strong>der</strong> Anfor<strong>der</strong>ungen,<br />

e<strong>in</strong>schließlich Parametervariationen, fällt<br />

bei <strong>der</strong> Formulierung auf, dass sich lediglich drei offene<br />

Komb<strong>in</strong>ationen aus den für die Darstellung erlaubten<br />

LEDs, LED_Ready <strong>und</strong> LED_Fehler ergeben:<br />

{bl<strong>in</strong>k<strong>in</strong>g, on}, {flash<strong>in</strong>g, on} <strong>und</strong> {on, on}. Die Ausgabe<br />

{off, on} ist nach Anfor<strong>der</strong>ung A2 bereits vorbelegt. Dies<br />

hat zur Folge, dass die mechanischen <strong>und</strong> elektronischen<br />

Elemente erneut geplant werden müssen. Um<br />

die funktionalen Anfor<strong>der</strong>ungen zu erfüllen wird daher<br />

e<strong>in</strong>e 7­Segment­Anzeige <strong>in</strong> den Entwurf <strong>in</strong>tegriert.<br />

Nachdem beide Beispiele erarbeitet wurden, beantworteten<br />

die Experten e<strong>in</strong>en Fragebogen zur Evaluation<br />

des Ansatzes, <strong>der</strong> aufbauend auf den zu Beg<strong>in</strong>n des<br />

Projektes ermittelten Anfor<strong>der</strong>ungen bezüglich Anfor<strong>der</strong>ungsspezifikation,<br />

Testmanagement <strong>und</strong> ­generierung,<br />

Integration <strong>in</strong> Entwicklungsprozesse <strong>und</strong> Mitarbeiterlast<br />

erstellt worden war. Die Mittelwerte s<strong>in</strong>d <strong>in</strong><br />

Bild 7 dargestellt (1: voll erfüllt, 6: gar nicht erfüllt).<br />

Lediglich beim Aufwand <strong>der</strong> Spezifikation <strong>und</strong> Papierarbeit<br />

mussten bei <strong>der</strong> Vorgehensweise Abstriche<br />

gemacht werden. Dies soll durch e<strong>in</strong>e geeignete Werkzeugunterstützung<br />

verbessert werden. Die Evaluation<br />

wurde anschließend mit den Teilnehmern diskutiert<br />

<strong>und</strong> es ergab sich <strong>der</strong> Konsens, dass e<strong>in</strong> ger<strong>in</strong>ger Mehraufwand<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> frühen Phase zugunsten e<strong>in</strong>er effektiven<br />

<strong>und</strong> fehlerfreien Arbeitsweise akzeptabel ist.<br />

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK<br />

Die erste Evaluation mit zwei Beispielen aus <strong>der</strong> Industrie<br />

ergab, dass die Vorgehensweise die Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

aus <strong>der</strong> Industrie für e<strong>in</strong> qualitativ hochwertiges An­<br />

REFERENZEN<br />

[1] Reimann, G.: Trendstudie: IT <strong>und</strong> Automation <strong>in</strong> den Produkten<br />

des Masch<strong>in</strong>enbau bis 2015. In: VDMA Branchen: Software –<br />

IT-Umfragen, 2012. Onl<strong>in</strong>e: http://www5.vdma.org/wps/<br />

portal/Home/de/Branchen/S/SW/Projekte_<strong>und</strong>_Initiativen/IT<br />

- Umfragen/SW_A120423_Trendstudie_IT_<strong>und</strong>_Automation_<br />

im_Masch<strong>in</strong>enbau, abgerufen im August 2014.<br />

[2] Balzert, H.: Lehrbuch <strong>der</strong> Softwaretechnik – Softwaremanagement.<br />

Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 2008.<br />

[3] Mauco, M. V., Leonardi, M. C., Riesco, D., Montejano, G.,<br />

Debnath, N.: Formalis<strong>in</strong>g a <strong>der</strong>ivation strategy for formal<br />

specifications from natural language requirements models.<br />

In: 5th IEEE International Symposium on Signal Process<strong>in</strong>g<br />

and Information Technology, S. 646-651, 2005.<br />

[4] Huber, F., Molterer, S., Schätz, B., Slotosch, O., Vilbig, A.: Traffic<br />

lights-an AutoFocus case study. In: 1st International Conference<br />

on Application of Concurrency to System Design, S. 282-294, 1998.<br />

[5] Leveson, N., Heimdahl, M. P., Reese, J. D.: Design<strong>in</strong>g Specification<br />

Languages for Process Control Systems: Lessons Learned<br />

and Steps to the Future? In: Software Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g – 7th<br />

European Software Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g Conference/7th ACM SIGSOFT<br />

Symposium on the Fo<strong>und</strong>ations of Software Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g,<br />

Spr<strong>in</strong>ger-Verlag, Berl<strong>in</strong>-Heidelberg, 1999.<br />

[6] Zimmermann, M. K., L<strong>und</strong>qvit, K., Leveson, N.: Investigat<strong>in</strong>g<br />

the Readability of State-Based Formal Requirements<br />

Specification Languages. In: 24th IEEE International Conference<br />

on Software Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g, S. 33-43, 2002.<br />

[7] Bitsch, F.: Safety-Anwendbare Spezifikation formal verifizierbarer<br />

Sicherheitsanfor<strong>der</strong>ungen mit Safety-Pattern -Verfahren<br />

zur Spezifikation funktionaler Sicherheitsanfor<strong>der</strong>ungen<br />

für Automatisierungssysteme. <strong>atp</strong> – Automatisierungstechnische<br />

Praxis 48(8), S. 50-61, 2006.<br />

[8] Kelley, K.: Automated Test Case Generation from Correct and<br />

Complete System Requirements Models. In: IEEE Aerospace<br />

Conference, S. 1-10, 2009.<br />

[9] Broy, M., Slotosch, O.: From requirements to validated<br />

embedded systems. In: Lecture Notes <strong>in</strong> Computer<br />

Science, Vol. 2211, Spr<strong>in</strong>ger-Verlag, Berl<strong>in</strong> Heidelberg,<br />

S. 51-65, 2001.<br />

[10] Soliman, D., Thramboulidis, K., Frey, G.: Function Block<br />

Diagram to UPPAAL Timed Automata Transformation<br />

Based on Formal Models. In: 14th IFAC Symposium<br />

on Information Control Problems <strong>in</strong> Manufactur<strong>in</strong>g,<br />

S. 625-631, 2012.<br />

[11] Hussa<strong>in</strong>, T., Frey, G.: UML-based Development Process for<br />

IEC 61499 with Automatic Test-case Generation. In: 11th<br />

IEEE Conference on Emerg<strong>in</strong>g Technologies and Factory<br />

Automation, S. 1277-1284, 2006.<br />

[12] Jäger, T., Christiansen, L. Strube, M. Fay A.: Durchgängige<br />

Werkzeugunterstützung von <strong>der</strong> Anfor<strong>der</strong>ungserhebung<br />

bis zur Anlagenstrukturbeschreibung mittels formalisierter<br />

Prozessbeschreibung <strong>und</strong> AutomationML. In: Entwurf<br />

komplexer Automatisierungssysteme, S. 239-251, 2012.<br />

[13] ISO/IEC 25010: Systems and software eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g<br />

– Systems and software Quality Requirements and<br />

Evaluation (SQuaRE) – System and software quality<br />

models. 2011.<br />

[14] Feldmann, S., Rösch, S., Legat, C., Vogel-Heuser, B.:<br />

Keep<strong>in</strong>g Requirements and Test Cases Consistent:<br />

Towards an Ontology-based Approach. In: 5th IEEE<br />

International Conference on Industrial Informatics,<br />

S. 1-8, 2014.<br />

[15] Kruse, P. M., Wegener, J.: Test Sequence Generation from<br />

Classification Trees. In: 5th IEEE International Conference<br />

on Software Test<strong>in</strong>g, Verification and Validation,<br />

S. 539-548, 2012.<br />

[16] Myers, G. J., Sandler, C., Badgett T., Thomas, T. M.: The Art<br />

of Software Test<strong>in</strong>g, Second Edition. John Wiley & Sons,<br />

New Jersey, 2004.<br />

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

9 / 2014<br />

45


HAUPTBEITRAG<br />

for<strong>der</strong>ungs­ <strong>und</strong> Testmanagement für diesen Teilbereich<br />

an Anwendungen von mechatronischen Produkten<br />

für die Experten <strong>der</strong> Anwen<strong>der</strong>gruppe erfüllt.<br />

Durch e<strong>in</strong>e e<strong>in</strong>fache Formalisierung von Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

bis h<strong>in</strong> zu e<strong>in</strong>er semi­formalen Beschreibung gel<strong>in</strong>gt<br />

es, automatisch Testfälle schnell <strong>und</strong> aufwandsarm<br />

zu generieren. Durch die Modellanalyse <strong>der</strong> Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

konnten weiterh<strong>in</strong> schnell beziehungsweise<br />

<strong>in</strong> e<strong>in</strong>er sehr frühen Phase des Entwicklungsprozesses<br />

Inkonsistenzen aufgedeckt werden, was e<strong>in</strong>e Kostenersparnis<br />

bei <strong>der</strong> Anwendung <strong>der</strong> Methode <strong>in</strong> Unternehmen<br />

erwarten lässt. E<strong>in</strong>e Evaluation für komplexere<br />

Systeme, zusätzliche Anwendungen <strong>und</strong> e<strong>in</strong>e Evaluation<br />

mit e<strong>in</strong>er größeren Anwen<strong>der</strong>gruppe ist e<strong>in</strong> weiteres<br />

Ziel, um die Anwendbarkeit <strong>und</strong> Qualität des<br />

Ansatzes aufzeigen zu können. Für komplexe mechatronische<br />

Systeme ist bereits e<strong>in</strong>e Hierarchisierung <strong>und</strong><br />

Zerlegung des Problems vorgesehen, e<strong>in</strong>e Evaluation<br />

steht dafür noch aus.<br />

E<strong>in</strong>e weitere Herausfor<strong>der</strong>ung ist die Integration von<br />

Testszenarien, bei <strong>der</strong> e<strong>in</strong>e Folge von E<strong>in</strong>gabedaten das<br />

gewünschte Testziel herbeiführt. Pr<strong>in</strong>zipiell ist e<strong>in</strong>e<br />

dementsprechende Modellierung <strong>in</strong>nerhalb <strong>der</strong> Anfor<strong>der</strong>ungsschablonen<br />

bereits möglich, durch die Verwendung<br />

von InOut als Richtung für Parameter, die e<strong>in</strong>e<br />

Rückführung von Parametern erlauben, bei <strong>der</strong> Testfallgenerierung<br />

werden diese jedoch noch nicht berücksichtigt.<br />

Die prototypische Realisierung <strong>der</strong> Vorgehensweise<br />

<strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Editor dient <strong>in</strong> zukünftigen Arbeiten<br />

<strong>der</strong> Evaluation <strong>der</strong> Usability <strong>der</strong> Modellierung<br />

<strong>und</strong> Vorgehensweise.<br />

DANKSAGUNG<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

08.04.2014<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

Das IGF-Vorhaben 17259 N/1 <strong>der</strong> Deutschen<br />

Forschungsgesellschaft für Automatisierung <strong>und</strong><br />

Mikroelektronik e.V. (DFAM) wurde über die AiF<br />

im Rahmen des Programms zur För<strong>der</strong>ung <strong>der</strong><br />

Industriellen Geme<strong>in</strong>schaftsforschung (IGF) vom<br />

B<strong>und</strong>esm<strong>in</strong>isterium für Wirtschaft <strong>und</strong> Technologie<br />

aufgr<strong>und</strong> e<strong>in</strong>es Beschlusses des Deutschen<br />

B<strong>und</strong>estages geför<strong>der</strong>t.<br />

AUTOREN<br />

Dipl.­Ing. SUSANNE RÖSCH (geb. 1987) ist wissenschaftliche<br />

Mitarbeiter<strong>in</strong> am Lehrstuhl für<br />

Automatisierung <strong>und</strong> Informationssysteme an <strong>der</strong><br />

Technischen Universität München. Ihr Forschungs<strong>in</strong>teresse<br />

gilt <strong>der</strong> effizienten Testfallerstellung<br />

<strong>und</strong> dem automatisierten Test von Steuerungssoftware<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> Automatisierungstechnik.<br />

Lehrstuhl für Automatisierung <strong>und</strong><br />

Informationssysteme,<br />

Boltzmannstraße 15, D-85748 Garch<strong>in</strong>g bei München,<br />

Tel. +49 (0) 89 28 91 64 38,<br />

E-Mail: roesch@ais.mw.tum.de<br />

Dipl.­Ing. (FH) DOROTHEA FÖRSTER (geb. 1985)<br />

ist angestellte Mitarbeiter<strong>in</strong> bei Schunk <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />

Abteilung Entwicklung Greifsysteme, Produkt<br />

<strong>und</strong> Vorentwicklung Mechatronik. Ihr Aufgabengebiet<br />

umfasst die Erstellung <strong>und</strong> Durchführung<br />

automatisierter Tests für die Validierung von<br />

e<strong>in</strong>gebetteter Software <strong>in</strong> <strong>in</strong>dustriellen Automationskomponenten<br />

<strong>und</strong> Reglern.<br />

SCHUNK GmbH & Co. KG,<br />

Bahnhofstraße 106-134, D-74348 Lauffen/Neckar,<br />

Tel. +49 (0) 7133 103 20 78,<br />

E-Mail: dorothea.foerster@de.schunk.com<br />

Dipl.­Ing. STEFAN FELDMANN (geb. 1990) ist<br />

wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl<br />

für Automatisierung <strong>und</strong> Informationssysteme<br />

an <strong>der</strong> Technischen Universität München.<br />

Se<strong>in</strong> Forschungs<strong>in</strong>teresse gilt <strong>der</strong> Anwendung<br />

wissens basierter Systeme zur Verbesserung <strong>der</strong><br />

<strong>in</strong>terdiszipl<strong>in</strong>ären Entwicklung <strong>in</strong> automatisierungstechnischen<br />

Projekten.<br />

Lehrstuhl für Automatisierung <strong>und</strong><br />

Informationssysteme,<br />

Boltzmannstraße 15, D-85748 Garch<strong>in</strong>g bei München,<br />

Tel. +49 (0) 89 28 91 64 41,<br />

E-Mail: feldmann@ais.mw.tum.de<br />

Prof. Dr.­Ing. BIRGIT VOGEL-HEUSER (geb. 1961)<br />

leitet den Lehrstuhl für Automatisierung <strong>und</strong><br />

Informationssysteme an <strong>der</strong> Technischen Universität<br />

München. Ihre Forschungsgebiete adressieren<br />

die System­ <strong>und</strong> Softwareentwicklung,<br />

<strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e die Modellierung verteilter, <strong>in</strong>telligenter<br />

e<strong>in</strong>gebetteter Systeme.<br />

Lehrstuhl für Automatisierung <strong>und</strong><br />

Informationssysteme,<br />

Boltzmannstraße 15, D-85748 Garch<strong>in</strong>g bei München,<br />

Tel. +49 (0) 89 28 91 64 00,<br />

E-Mail: vogel-heuser@ais.mw.tum.de<br />

46<br />

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

9 / 2014


Die Referenzklasse für die<br />

Automatisierungstechnik<br />

www.<strong>atp</strong>-<strong>edition</strong>.de<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> ist das Fachmagaz<strong>in</strong> für die Automatisierungstechnik.<br />

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

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

zur automatisierungstechnischen Praxis nehmen außerdem<br />

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

Prozessautomatisierung.<br />

Sichern Sie sich jetzt diese erstklassige Lektüre! Als exklusiv<br />

ausgestattetes Heft o<strong>der</strong> als praktisches ePaper – ideal für<br />

unterwegs, auf mobilen Endgeräten o<strong>der</strong> zum Archivieren.<br />

Wählen Sie e<strong>in</strong>fach das Bezugsangebot, das Ihnen zusagt:<br />

• Heft<br />

• ePaper<br />

• Heft + ePaper<br />

25% ersten Bezugsjahr<br />

Rabatt im<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> ersche<strong>in</strong>t <strong>in</strong> <strong>der</strong> DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München<br />

WISSEN FÜR DIE<br />

ZUKUNFT<br />

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

Ja, ich möchte <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> regelmäßig lesen <strong>und</strong> im ersten Bezugsjahr 25 % sparen.<br />

Bitte schicken Sie mir die Fachpublikation für zunächst e<strong>in</strong> Jahr (10 Ausgaben)<br />

als Heft für € 389,25 zzgl. Versand<br />

(Deutschland: € 30,- / Ausland: € 35,-).<br />

als ePaper (E<strong>in</strong>zellizenz) für € 389,25<br />

als Heft + ePaper für € 536,03<br />

<strong>in</strong>kl. Versand (Deutschland) / € 541,03 (Ausland).<br />

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

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

Firma/Institution<br />

Vorname, Name des Empfängers<br />

Straße / Postfach, Nr.<br />

Land, PLZ, Ort<br />

Antwort<br />

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

Postfach 91 61<br />

97091 Würzburg<br />

Telefon<br />

E-Mail<br />

Branche / Wirtschaftszweig<br />

Telefax<br />

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

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

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

9161, 97091 Würzburg.<br />

✘<br />

Ort, Datum, Unterschrift<br />

PAATPE2014<br />

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

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

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


HAUPTBEITRAG<br />

Stellantrieb mit<br />

sicheren Funktionen<br />

nach IEC EN 61508<br />

Entwicklung <strong>und</strong> Umsetzung von Architekturmerkmalen<br />

Die IEC EN 61508 beschreibt die Bereiche zur Beherrschung systematischer <strong>und</strong><br />

zufälliger Fehler an sicherheitsrelevanten technischen Systemen. Sie führt die Rahmenbed<strong>in</strong>gungen<br />

auf, die für Entwurf, Realisierung <strong>und</strong> Betrieb sicherheitsbezogener<br />

Systeme erfor<strong>der</strong>lich s<strong>in</strong>d. Obwohl <strong>in</strong> den Anhängen <strong>der</strong> Norm auf technische <strong>und</strong><br />

praktische Aspekte e<strong>in</strong>gegangen wird, stellt sie ke<strong>in</strong>e Standardbauanleitung für sicherheitsrelevante<br />

Systeme dar. Dies gibt den Entwicklern Freiräume, um <strong>in</strong>novative<br />

<strong>und</strong> wettbewerbsfähige Produkte zu konzipieren. In diesem Beitrag wird die Entwicklung<br />

<strong>und</strong> Implementierung sicherer Funktionen für e<strong>in</strong>en Stellantrieb beschrieben.<br />

Dabei werden die möglichen Architekturmerkmale behandelt <strong>und</strong> diskutiert.<br />

SCHLAGWÖRTER IEC EN 61508 / SIL / Stellantrieb / Common Cause Failure<br />

Actuator with Safety Functions <strong>in</strong> Accordance with IEC EN 61508 –<br />

Development and Implementation of Architectural Features<br />

IEC EN 61508 describes the control of systematic and unexpected hazardous events<br />

with safety-relevant technological systems. It establishes necessary conditions for<br />

the design, development, and operation of safety-related systems. Although the standard<br />

<strong>in</strong>cludes annexes which address technical and practical aspects, it does not<br />

constitute a set of <strong>in</strong>structions for the development of safety-relevant systems. Developers<br />

therefore have scope to design <strong>in</strong>novative and competitive products. Here<br />

the development and implementation of safe functions are described for an actuator.<br />

Possible architectural characteristics are consi<strong>der</strong>ed.<br />

KEYWORDS IEC EN 61508 / safety <strong>in</strong>tegrity level / SIL / actuator /<br />

common cause failure<br />

48<br />

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

9 / 2014


PETER MALUS, WERNER THOMANN, Auma<br />

KARL-HEINZ KAYSER, Hochschule Essl<strong>in</strong>gen<br />

Stellantriebe für Armaturen <strong>und</strong> Masch<strong>in</strong>enantriebe<br />

kommen <strong>in</strong> vielfältigen Anwendungen<br />

im Stahlwasserbau, bei <strong>Wasser</strong>ver<strong>und</strong><br />

-entsorgungsanlagen, Kraftwerks- <strong>und</strong><br />

Chemieanlagen, bei Öl- <strong>und</strong> Gasför<strong>der</strong>ung,<br />

Öl-, Gastransport (Pipel<strong>in</strong>es) <strong>und</strong> Verarbeitung, sowie<br />

im maritimen Bereich zum E<strong>in</strong>satz. Kennzeichnend für<br />

die Produkte s<strong>in</strong>d <strong>der</strong>en extreme E<strong>in</strong>satzbed<strong>in</strong>gungen,<br />

siehe Bild 1, bei gleichzeitig gefor<strong>der</strong>ter langjähriger,<br />

hoher Verfügbarkeit.<br />

Die Entwicklung von Stellantrieben <strong>und</strong> <strong>der</strong>en Steuerungen<br />

ist geprägt durch e<strong>in</strong>e zunehmende Komplexität.<br />

Ausgehend von e<strong>in</strong>fachen Logiksteuerungen haben<br />

sich die Geräte zu <strong>in</strong>telligenten Steuerungen mit<br />

vielen Kommunikationsschnittstellen (Feldbus, Bluetooth),<br />

komfortabler Programmierung <strong>und</strong> Bedienung,<br />

<strong>in</strong>tegrierten Regelalgorithmen mit umfangreicher <strong>in</strong>telligenter<br />

Sensorik entwickelt.<br />

Elektrische Stellantriebe s<strong>in</strong>d seit mehr als 50 Jahren<br />

im <strong>in</strong>dustriellen E<strong>in</strong>satz, auch <strong>in</strong> sicherheitsrelevanten<br />

Bereichen. Viele etablierte, aber nicht harmonisierte<br />

Sicherheitsstandards, prägen das heutige Bild. Sicherheitsstandards,<br />

Sicherheitsregeln <strong>und</strong> Verordnungen<br />

s<strong>in</strong>d regional unterschiedlich vorgegeben, unter an<strong>der</strong>em<br />

durch Anlagenbetreiber, Anlagenversicherer sowie<br />

nationale Regelwerke <strong>und</strong> Vorschriften. Die etablierten<br />

Sicherheitsregeln werden trotz <strong>der</strong> Verabschiedung <strong>der</strong><br />

<strong>in</strong>ternationalen Norm zur funktionalen Sicherheit (IEC<br />

EN 61508) vor zwölf Jahren kurz- <strong>und</strong> mittelfristig noch<br />

Bestand haben.<br />

Die Norm IEC EN 61508 beschreibt Verfahren <strong>und</strong><br />

Methoden wie sich systematische <strong>und</strong> zufällige Fehler<br />

beherrschen lassen; kennzeichnend s<strong>in</strong>d formale Vorgehensmodelle<br />

(zum Beispiel bei Entwurf, Konstruktion,<br />

Inbetriebnahme <strong>und</strong> Betrieb sicherheitsrelevanter<br />

Geräte) sowie entsprechende probabilistische Nachweisverfahren.<br />

Damit ist die Norm IEC EN 61508 als<br />

Gr<strong>und</strong>lage für die Entwicklung sicherheitsrelevanter,<br />

komplexer Systeme geeignet. Entwicklungsziel von<br />

Auma war es, bestehend auf <strong>der</strong> aktuellen Stellantriebsgeneration,<br />

e<strong>in</strong>e Ausführung zu entwickeln, die alle<br />

Anfor<strong>der</strong>ungen <strong>der</strong> Norm IEC EN 61508 erfüllt.<br />

1. AUSGANGSSITUATION<br />

Stellantriebe s<strong>in</strong>d stets <strong>in</strong> Verb<strong>in</strong>dung mit an<strong>der</strong>en<br />

Komponenten <strong>in</strong> e<strong>in</strong> Gesamtsystem <strong>in</strong>tegriert.<br />

Beispiel Schiffsschleuse: Schleusentor – mechanischer<br />

Gew<strong>in</strong>detrieb – Stellantrieb – Signal-/Datenleitung<br />

– Leitsteuerung – Energieversorgung. Beispiel<br />

Gasversorgung: Gasleitung – Drucksensor – Armatur<br />

– Stellantrieb – Signal-/Datenleitung – Leitsteuerung<br />

– Energieversorgung. Stellantriebe bestehen aus den<br />

Komponenten: Stellantriebsmechanik (Getriebe), Motor<br />

(geschaltet o<strong>der</strong> drehzahlverän<strong>der</strong>lich), Sensorik<br />

(beispielsweise Stellwegerfassung, Endlagen- <strong>und</strong><br />

Drehmomenterfassung), Stellantriebssteuerung (<strong>in</strong>klusive<br />

Ortssteuerstelle, elektrische Anschlüsse für<br />

Ansteuerung <strong>und</strong> Energie) <strong>und</strong> Signal- sowie Datenleitungen<br />

von <strong>und</strong> zur übergeordneten Leitsteuerung.<br />

Stellantriebe öffnen, schließen, positionieren o<strong>der</strong><br />

regeln e<strong>in</strong>e Armaturenstellung. Hierzu werden unter<br />

an<strong>der</strong>em die Stellwegs- o<strong>der</strong> Endlagensignale verarbeitet.<br />

Die Lastmoment<strong>in</strong>formation wird zur Drehmomentüberwachung<br />

<strong>und</strong> zur Abschaltung bei drehmomentabhängigen<br />

Armaturen verwendet.<br />

2. ANFORDERUNGEN AN SICHERHEITSFUNKTIONEN<br />

Gr<strong>und</strong>sätzlich ist <strong>der</strong> gesamte Lebenszyklus e<strong>in</strong>es Produktes<br />

von <strong>der</strong> Spezifikation, Entwicklung, Produktion,<br />

Inbetriebnahme, Betrieb, Wartung bis zur Außerbetriebssetzung<br />

zu betrachten. In diesem Beitrag wird<br />

ausschließlich <strong>der</strong> Betrieb e<strong>in</strong>es Stellantriebs betrachtet.<br />

Die wesentlichen sicherheitsrelevanten Stellantriebsfunktionen<br />

s<strong>in</strong>d Emergency Shut Down (ESD) <strong>und</strong><br />

<strong>der</strong> sichere Stopp, wobei ESD zu unterteilen ist <strong>in</strong> sicheres<br />

Öffnen <strong>und</strong> sicheres Schließen, zum Beispiel<br />

e<strong>in</strong>er Armatur. Die Bil<strong>der</strong> 2 <strong>und</strong> 3 zeigen zwei Anwendungsbeispiele<br />

für ESD.<br />

Während für den sicheren Stopp lediglich <strong>der</strong> Stellantrieb<br />

sicher abzuschalten <strong>und</strong> e<strong>in</strong> Haltemoment aufrecht<br />

zu erhalten ist (zum Beispiel durch Selbsthemmung<br />

des Getriebes), erfor<strong>der</strong>n die ESD-Funktionen<br />

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

9 / 2014<br />

49


HAUPTBEITRAG<br />

sicheres Öffnen <strong>und</strong> sicheres Schließen, e<strong>in</strong>e hohe<br />

Verfügbarkeit wesentlicher Komponenten im Antriebsstrang<br />

<strong>und</strong> <strong>der</strong> Sensorik des Stellantriebs – zum<strong>in</strong>dest<br />

solange, bis <strong>der</strong> Stellantrieb die Offen- beziehungsweise<br />

Geschlossen-Stellung erreicht hat. Die Realisierung<br />

<strong>der</strong> ESD-Funktion stellt demnach die höheren technischen<br />

Anfor<strong>der</strong>ungen.<br />

2.1 Sicherheits<strong>in</strong>tegritäts-Level (SIL)<br />

Der erfor<strong>der</strong>liche Sicherheits<strong>in</strong>tegritäts-Level (SIL)<br />

wird durch e<strong>in</strong>e Gefährdungsanalyse an e<strong>in</strong>er Applikation<br />

beziehungsweise Anlage ermittelt. Als Komponentenlieferant<br />

erhält Auma die Anfor<strong>der</strong>ungen an den<br />

SIL durch den Planer o<strong>der</strong> Endk<strong>und</strong>en, da nur dieser<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> Lage ist, e<strong>in</strong>e entsprechende Risikoanalyse e<strong>in</strong>er<br />

Anlage durchzuführen. Häufig werden für e<strong>in</strong>zelne<br />

Stellantriebe SIL-2-Fähigkeiten, gelegentlich auch SIL-<br />

3-Fähigkeiten gefor<strong>der</strong>t, siehe Norm [1]. SIL-3-Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

lassen sich durch red<strong>und</strong>ante, 2-kanalige<br />

Aufbauten, wie beispielhaft <strong>in</strong> Bild 2 <strong>und</strong> 3 dargestellt,<br />

realisieren. Die Autoren weisen darauf h<strong>in</strong>, dass bei<br />

gleichartigem Aufbau bei<strong>der</strong> Kanäle (homogene Red<strong>und</strong>anz),<br />

Fehler geme<strong>in</strong>samer Ursachen (common<br />

cause failure, CCF), problematisch <strong>und</strong> daher zu vermeiden<br />

s<strong>in</strong>d. Insbeson<strong>der</strong>e systematische Fehler stellen<br />

Fehler geme<strong>in</strong>samer Ursachen dar <strong>und</strong> führen<br />

dazu, dass das Verhalten, beziehungsweise die Verfügbarkeit<br />

e<strong>in</strong>es 2-kanaligen Systems auf das e<strong>in</strong>es 1-kanaligen<br />

zurückfällt.<br />

Sichere Stellantriebsfunktionalität bedeutet für den<br />

gesamten Produktlebenszyklus des Stellantriebs:<br />

Vermeidung <strong>und</strong> Beherrschung systematischer<br />

Fehler<br />

E<strong>in</strong>haltung statistischer Grenzwerte bezüglich<br />

zufälliger Fehler<br />

Systematische Fehler betreffen vor allem den Entwicklungs-<br />

<strong>und</strong> Produktionsprozess <strong>und</strong> zu e<strong>in</strong>em<br />

gewissen Teil die Inbetriebnahme <strong>und</strong> Wartungstätigkeiten.<br />

Zufällige Fehler, zum Beispiel durch Bauteileausfall,<br />

s<strong>in</strong>d vornehmlich während <strong>der</strong> Betriebsphase<br />

des Stellantriebs zu berücksichtigen. Dabei<br />

s<strong>in</strong>d Grenzwerte für die zwei probabilistischen Kenngrößen<br />

Safe Failure Fraction (SFF) <strong>und</strong> die mittlere<br />

Probability of (dangerous) Failure PF D (im Beitrag<br />

auch als Fehlerwahrsche<strong>in</strong>lichkeit bezeichnet) e<strong>in</strong>zuhalten.<br />

PFD wird weiter differenziert, ob e<strong>in</strong>e sichere<br />

Funktion permanent (high demand) PFH D an e<strong>in</strong>er<br />

Anlage benutzt wird, o<strong>der</strong> nur bei Bedarf (on demand)<br />

PFD D . (Die Def<strong>in</strong>itionen <strong>der</strong> Begrifflichkeiten f<strong>in</strong>den<br />

sich <strong>in</strong> <strong>der</strong> Norm [1] o<strong>der</strong> im Kasten Erläuterungen –<br />

Begriffsdef<strong>in</strong>itionen im Beitrag).<br />

Während die für SIL 2 erfor<strong>der</strong>lichen SFF-Grenzwerte<br />

(Grenzwerte s<strong>in</strong>d abhängig von <strong>der</strong> Hardwarefehlertoleranz<br />

HFT) von allen sicherheitsrelevanten Komponenten<br />

e<strong>in</strong>er Anlage zu erfüllen s<strong>in</strong>d, ist <strong>der</strong> Grenzwert für<br />

die mittlere Fehlerwahrsche<strong>in</strong>lichkeit PFH D beziehungsweise<br />

PFD D durch die Summe <strong>der</strong> mittleren Fehlerwahrsche<strong>in</strong>lichkeiten<br />

aller an e<strong>in</strong>er Anlage für die<br />

Erfüllung e<strong>in</strong>er sicheren Funktion erfor<strong>der</strong>lichen E<strong>in</strong>zelkomponenten<br />

gegeben. Für den Komponentenhersteller<br />

bedeutet dies, dass er für se<strong>in</strong> Produkt nur e<strong>in</strong>en<br />

gewissen Prozentsatz des Grenzwertes für die mittlere<br />

Fehlerwahrsche<strong>in</strong>lichkeit <strong>in</strong> Anspruch nehmen darf,<br />

damit <strong>der</strong> K<strong>und</strong>e <strong>in</strong> die Lage versetzt wird, mit technisch<br />

vertretbarem Aufwand den gefor<strong>der</strong>ten SIL <strong>der</strong><br />

Gesamtanlage zu erzielen, siehe Bild 4.<br />

Die erzielbaren PFH D - beziehungsweise PFD D -Werte<br />

e<strong>in</strong>es Produkts werden wesentlich von den durch den<br />

technischen Entwurf festgelegten Produktmerkmalen<br />

bestimmt. Diese s<strong>in</strong>d:<br />

gerätetechnischer Aufbau<br />

(Konstruktion, Schaltung),<br />

Bauteile- <strong>und</strong> Komponentenauswahl,<br />

Architekturmerkmale, zum Beispiel e<strong>in</strong>- o<strong>der</strong><br />

mehrkanalige Struktur<br />

automatisierte Überwachungs- <strong>und</strong> Diagnosefunktionen<br />

Weitere E<strong>in</strong>flussfaktoren ergeben sich durch die während<br />

<strong>der</strong> Produktbetriebsphase gegebenenfalls festzulegenden<br />

Wartungs<strong>in</strong>tervalle. E<strong>in</strong>e Erhöhung <strong>der</strong> Wartungs<strong>in</strong>tensität<br />

<strong>und</strong> <strong>der</strong> Wartungshäufigkeit verr<strong>in</strong>gert<br />

die mittlere E<strong>in</strong>trittswahrsche<strong>in</strong>lichkeit e<strong>in</strong>es gefährlichen<br />

Zustandes beziehungsweise verbessert den Wert<br />

PFH D o<strong>der</strong> PFD D . Technischer Entwurf <strong>und</strong> Wartungs<strong>in</strong>tervalle<br />

bestimmen <strong>und</strong> bee<strong>in</strong>flussen die Anschaffungs-<br />

<strong>und</strong> Betriebskosten. Letztere s<strong>in</strong>d e<strong>in</strong> entscheidendes<br />

Kriterium für die Produktakzeptanz durch den<br />

K<strong>und</strong>en. Ziel <strong>der</strong> <strong>in</strong>genieursmäßigen Konstruktion ist<br />

es, die gefor<strong>der</strong>te Sicherheitsfunktionalität zu erfüllen<br />

<strong>und</strong> dabei die Interessen von K<strong>und</strong>e <strong>und</strong> Anlagenbetreiber<br />

zu wahren.<br />

3. TECHNISCHE KONZEPTION DER<br />

SICHERHEITSFUNKTIONEN<br />

Das Blockschaltbild <strong>in</strong> Bild 5 zeigt die wesentlichen<br />

Komponenten des zu betrachtenden Stellantriebs. Dieser<br />

bildet im Beitrag den Ausgangspunkt für die technische<br />

Integration <strong>der</strong> sicheren Funktionen ESD <strong>und</strong><br />

Stopp. Dabei s<strong>in</strong>d folgende Komponenten an <strong>der</strong> Erfüllung<br />

<strong>der</strong> sicheren Funktionen beteiligt:<br />

Ansteuer- <strong>und</strong> Statussignale<br />

(dient als Schnittstelle zur übergeordneten<br />

Steuerung <strong>und</strong> Leittechnik)<br />

Steuerung<br />

Sensorik<br />

Spannungsversorgung<br />

Ansteuerung<br />

Motor<br />

Getriebe<br />

50<br />

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

9 / 2014


BILD 2: Applikation: sicheres Schließen von Öl-/<br />

Gaszuführung – 2-kanalige Anlagenarchitektur<br />

BILD 1: Stellantrieb im Test unter simulierten<br />

E<strong>in</strong>satzbed<strong>in</strong>gungen<br />

BILD 4: Prozentuale Aufteilung <strong>der</strong> Fehlerwahrsche<strong>in</strong>lichkeit<br />

im Sicherheitssystem<br />

BILD 3: Applikation: sicheres Öffnen im<br />

Kühlkreislauf – 2-kanalige Anlagenarchitektur<br />

BILD 5:<br />

Aufbau des<br />

bestehenden<br />

Stellantriebs<br />

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

9 / 2014<br />

51


HAUPTBEITRAG<br />

Für den technischen Entwurf <strong>der</strong> sicherheitsrelevanten<br />

Funktionen <strong>und</strong> die E<strong>in</strong>haltung <strong>der</strong> entsprechenden<br />

Grenzwerte für SFF <strong>und</strong> PF D s<strong>in</strong>d<br />

bestimmte Pr<strong>in</strong>zipien zu berücksichtigen <strong>und</strong> <strong>in</strong><br />

Betrachtung zu ziehen:<br />

e<strong>in</strong>- o<strong>der</strong> mehrkanalige Struktur (hardware<br />

fault tolerance, HFT) für das Gesamtsystem<br />

o<strong>der</strong> Teile davon<br />

Realisierung mit e<strong>in</strong>fachen Bauteilen<br />

(Typ A gemäß IEC EN 61508) o<strong>der</strong> mit komplexen<br />

Bauteilen (Typ B entsprechend IEC EN<br />

61508, zum Beispiel Mikroprozessor <strong>und</strong><br />

Software)<br />

Diagnoseabdeckung (diagnostic coverage, DC),<br />

um sicherheitsrelevante Fehler rechtzeitig zu<br />

entdecken <strong>und</strong> Schäden abzuwenden<br />

Trennung beziehungsweise Kapselung von<br />

normaler Funktion <strong>und</strong> sicherer Funktion<br />

Ziel ist es, die sicheren Funktionen auf Basis <strong>der</strong><br />

aktuellen Stellantriebsgeneration zu <strong>in</strong>tegrieren,<br />

ohne dabei systemrelevante Än<strong>der</strong>ungen (zum Beispiel<br />

Gehäuse, Außenabmessungen) am bestehenden<br />

Stellantrieb durchzuführen.<br />

E<strong>in</strong>e red<strong>und</strong>ante o<strong>der</strong> mehrkanalige Ausführung<br />

<strong>der</strong> Teilkomponenten Getriebe, Motor, Motoransteuerung<br />

(Schütze, Thyristor) scheidet aus technischen<br />

sowie den vorab genannten Gründen aus.<br />

Erste Analysen <strong>und</strong> Berechnungen zu SFF <strong>und</strong><br />

PFD ergaben, dass mit den oben genannten <strong>und</strong><br />

bereits vorhandenen Teilkomponenten die erfor<strong>der</strong>lichen<br />

Grenzwerte erreicht werden. Somit ist<br />

e<strong>in</strong>e gr<strong>und</strong>sätzliche Umsetzbarkeit, das heißt Integration<br />

<strong>der</strong> sicheren Funktionen <strong>in</strong> den bestehenden<br />

Antrieb, machbar.<br />

Die existierende Steuerung (Logik) des Stellantriebs<br />

basiert auf e<strong>in</strong>em Mehrprozessorsystem samt<br />

Software <strong>und</strong> be<strong>in</strong>haltet im Standard bereits Funktionen<br />

wie Stopp beziehungsweise ESD. Diese erfüllen<br />

aber nicht die Anfor<strong>der</strong>ungen an SIL 2. E<strong>in</strong>e<br />

softwarebasierte Integration <strong>der</strong> sicheren Funktionen<br />

auf das vorhandene Mikroprozessorsystem<br />

ist theoretisch möglich, e<strong>in</strong>e Trennung <strong>der</strong> sicheren<br />

Funktionen von den Standardfunktionen<br />

wäre aber mit erheblichem technischen Aufwand<br />

verb<strong>und</strong>en.<br />

Die Schnittstellen zur Kommunikation mit übergeordneter<br />

Leittechnik (Feldbus o<strong>der</strong> b<strong>in</strong>äre E/A)<br />

erfüllen ebenfalls nicht die Anfor<strong>der</strong>ungen an SIL 2<br />

<strong>und</strong> s<strong>in</strong>d deshalb anzupassen.<br />

3.1 Umsetzung <strong>der</strong> sicheren Funktionen<br />

BILD 6: Steuerungskonzeptionen für die Umsetzung<br />

sicherer Stellantriebsfunktionen<br />

Wie zuvor beschrieben, s<strong>in</strong>d die Steuerung (Logik)<br />

<strong>und</strong> die Schnittstellen die wesentlichen Handlungsfel<strong>der</strong><br />

für die Integration <strong>der</strong> sicheren Funktionen<br />

ESD <strong>und</strong> Stopp <strong>in</strong> den Stellantrieb.<br />

52<br />

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

9 / 2014


BILD 7: Aufbau<br />

Gesamtsystem<br />

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

Stellantriebs<br />

Steuerungskonzeptionen<br />

Zur Integration <strong>der</strong> sicheren Funktionen <strong>in</strong> die Stellantriebssteuerung<br />

s<strong>in</strong>d diese Lösungswege zielführend,<br />

siehe Bild 6.<br />

1 | Direkte Integration <strong>in</strong> die bereits im Standard<br />

vorhandene, auf e<strong>in</strong>em Mehrprozessorsystem basierende<br />

Steuerung (Software <strong>in</strong> sicherer Hardwareumgebung<br />

Typ B)<br />

2 | Integration auf e<strong>in</strong>er zusätzlichen, mikroprozessorbasierten<br />

sicheren Steuerung (1-kanalig) (Software<br />

auf zusätzlicher sicherer Hardware Typ B)<br />

3 | Integration auf e<strong>in</strong>er zusätzlichen, mikroprozessorbasierten<br />

sicheren Steuerung (1-kanalig), ferner<br />

Überwachung (Diagnose) durch die vorhandene<br />

Steuerung, was <strong>der</strong> Integration von sicheren<br />

Diagnosealgorithmen auf <strong>der</strong> vorhandenen Steuerung<br />

entspricht (Diagnosesoftware <strong>in</strong> sicherer<br />

Hardwareumgebung Typ B <strong>und</strong> Funktionssoftware<br />

auf zusätzlicher sicherer Hardware Typ B)<br />

4 | Integration auf e<strong>in</strong>er zusätzlichen, mikroprozessorbasierten<br />

sicheren Steuerung <strong>und</strong> auf <strong>der</strong> vorhandenen<br />

Steuerung. Dadurch ergibt sich e<strong>in</strong>e<br />

2-kanalige Gesamtimplementierung mit <strong>der</strong> Möglichkeit<br />

zur gegenseitigen Überwachung (Diagnose)<br />

(Software <strong>in</strong> sicherer Hardwareumgebung Typ<br />

B <strong>und</strong> Software auf zusätzlicher sicherer Hardware<br />

Typ B)<br />

5 | Integration auf e<strong>in</strong>er zusätzlichen, sicheren <strong>und</strong><br />

festverdrahteten Steuerlogik, was e<strong>in</strong>e hardwarebasierte<br />

Lösung darstellt (zusätzliche sichere Logikhardware<br />

Typ A)<br />

Bewertung <strong>der</strong> Steuerungskonzeptionen<br />

Die Lösungsansätze 1 bis 4 verwenden Mikroprozessoren<br />

<strong>und</strong> erfor<strong>der</strong>n die Entwicklung sicherheitsrelevanter<br />

Software. Mikroprozessoren stellen im S<strong>in</strong>ne<br />

<strong>der</strong> IEC EN 61508 komplexe Bauteile dar (Typ B), bei<br />

<strong>der</strong>en Verwendung weitaus strengere Grenzwerte für<br />

SFF gelten, <strong>und</strong> damit mehr Diagnoseaufwand als<br />

beim E<strong>in</strong>satz e<strong>in</strong>facher Bauteile (Typ A) notwendig<br />

wird. Die komplexe Schaltungstechnik bei Typ B sowie<br />

die zu erstellende sichere Software bergen e<strong>in</strong><br />

erhöhtes Potenzial an systematischen Fehlern (Software)<br />

sowie zufälligen Fehlern (Komplexität <strong>der</strong> Hardware).<br />

Dagegen be<strong>in</strong>haltet <strong>der</strong> Lösungsansatz 5 e<strong>in</strong><br />

ger<strong>in</strong>ges Potenzial an systematischen Fehlern (ke<strong>in</strong>e<br />

Software, e<strong>in</strong>fache Schaltlogik). Durch die Verwendung<br />

von Bauteilen ger<strong>in</strong>ger Komplexität (zum Beispiel<br />

Logikbauste<strong>in</strong>e, Typ A) s<strong>in</strong>d ger<strong>in</strong>gere Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

an den SFF zu erfüllen, <strong>und</strong> damit unter Umständen<br />

ger<strong>in</strong>gere Anfor<strong>der</strong>ungen an die Diagnose<br />

erfor<strong>der</strong>lich. Dies bedeutet nicht, dass auf umfangreiche<br />

Diagnosefunktionalität <strong>in</strong> <strong>der</strong> Standardsteuerung<br />

verzichtet wird, son<strong>der</strong>n, dass bestehende Diagnosealgorithmen<br />

nicht <strong>in</strong> die formalen Sicherheitsbetrachtungen<br />

e<strong>in</strong>bezogen werden. Bei Lösungsansatz<br />

5 s<strong>in</strong>d vor<strong>der</strong>gründig zufällige Fehler zu beherrschen,<br />

was auf Gr<strong>und</strong> <strong>der</strong> vorhandenen <strong>und</strong> anerkannten Datenbasis<br />

h<strong>in</strong>sichtlich Bauteileausfallwahrsche<strong>in</strong>lichkeiten<br />

[2], unproblematisch ist.<br />

Wie zuvor erwähnt, s<strong>in</strong>d bei 2- o<strong>der</strong> mehrkanaligen<br />

Anlagenarchitekturen zur Erreichung e<strong>in</strong>es SIL 3, siehe<br />

Bild 2 <strong>und</strong> 3, Fehler geme<strong>in</strong>samer Ursachen (CCF)<br />

zu vermeiden. Bezüglich des CCF s<strong>in</strong>d die Lösungsansätze<br />

1 bis 4 wegen systematischer Fehler kritisch zu<br />

bewerten; dagegen eignet sich Lösungsansatz 5 am besten<br />

für mehrkanalige Anlagenarchitekturen.<br />

Lösungsansatz 1 bietet zunächst Vorteile, da für die<br />

Implementierung <strong>der</strong> sicheren Funktionen die vorhandene<br />

Steuerungshardware mit ger<strong>in</strong>gen Hardware-<br />

Anpassungen genutzt werden kann. Aber wie bereits<br />

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

9 / 2014<br />

53


HAUPTBEITRAG<br />

ERLÄUTERUNGEN – BEGRIFFSDEFINITIONEN<br />

Fehlerrate λ <strong>und</strong> Fehlerwahrsche<strong>in</strong>lichkeit PF(t)<br />

Fehlerrate λ hat die E<strong>in</strong>heit [1/h] beziehungsweise<br />

[FIT=10 –9 1/h]. Für λ = const. (gilt für die Betriebsphase<br />

<strong>der</strong> Weibullverteilung), gilt <strong>der</strong> Zusammenhang zwischen<br />

<strong>der</strong> Fehlerwahrsche<strong>in</strong>lichkeit PF [%] (Probability of<br />

Failure) <strong>und</strong> <strong>der</strong> Fehlerrate λ:<br />

PF(t) = 1 – e –λt o<strong>der</strong> <strong>der</strong> vere<strong>in</strong>fachte <strong>und</strong> l<strong>in</strong>earisierte<br />

Ansatz: PF(t) = λ · t (für Betriebszeit


ed<strong>und</strong>ante, 2-kanalige (HFT=1) <strong>und</strong> 3-kanalige (HFT=2).<br />

HFT=N bedeutet, N+1 Fehler können den Verlust <strong>der</strong><br />

entsprechenden Sicherheitsfunktion bewirken.<br />

Grenzwerte <strong>der</strong> Kenngröße SFF<br />

Je nach erfor<strong>der</strong>lichem Sicherheits<strong>in</strong>tegritätsgrad (SIL)<br />

s<strong>in</strong>d für die sicherheitsbezogenen Systeme <strong>und</strong> Teilsysteme<br />

<strong>und</strong> für die Kenngröße SFF (Anteil sicherer<br />

Ausfälle) Grenzwerte gemäß nachfolgen<strong>der</strong> Tabelle<br />

e<strong>in</strong>zuhalten.<br />

Anteil<br />

Geräte Typ A Geräte Typ B<br />

sicherer<br />

Ausfälle<br />

Hardware Fehlertoleranz<br />

HFT<br />

Hardware Fehlertoleranz<br />

HFT<br />

SFF<br />

N=0 N=1 N=2 N=0 N=1 N=2<br />

< 60% SIL 1 SIL 2 SIL 3<br />

nicht<br />

erlaubt SIL 1 SIL 2<br />

60 % – < 90 % SIL 2 SIL 3 SIL 4 SIL 1 SIL 2 SIL 3<br />

90 % – < 99 % SIL 3 SIL 4 SIL 4 SIL 2 SIL 3 SIL 4<br />

99 % SIL 3 SIL 4 SIL 4 SIL 3 SIL 4 SIL 4<br />

GRENZWERTE SFF [1]<br />

S<strong>in</strong>d für die Teilsysteme TS1 bis TS3 (siehe Referenzarchitektur)<br />

bezüglich SFF die jeweiligen erreichbaren<br />

SIL-Werte ermittelt, dann bestimmt das Teilsystem mit<br />

dem niedrigsten SIL, den SIL des Gesamtsystems.<br />

SIL Gesamtsystem = kle<strong>in</strong>ster SIL-Wert von TS1 bis TS3<br />

Grenzwerte <strong>der</strong> Kenngrößen PFD D / PFH D<br />

Für die Kenngrößen PFD D <strong>und</strong> PFH D gelten die Grenzwerte<br />

gemäß folgen<strong>der</strong> Tabelle.<br />

Safety<br />

Integrity<br />

Level<br />

SIL<br />

Betrieb im nie<strong>der</strong>en<br />

Anfor<strong>der</strong>ungsmodus<br />

Wahrsche<strong>in</strong>lichkeit<br />

e<strong>in</strong>es Ausfalls e<strong>in</strong>er<br />

vorgesehenen<br />

Funktion bei<br />

Anfor<strong>der</strong>ung<br />

Betrieb im ununterbrochenen<br />

/ hohen<br />

Anfor<strong>der</strong>ungsmodus<br />

Wahrsche<strong>in</strong>lichkeit<br />

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

Ausfalls pro St<strong>und</strong>e<br />

4 ≥10 -5 bis


HAUPTBEITRAG<br />

Aus den Rückmeldungen des K<strong>und</strong>en ließen sich<br />

zwei Anwendungsvorteile erkennen:<br />

Der E<strong>in</strong>satz e<strong>in</strong>er separaten sicheren, hardwarebasierten<br />

Steuerungshardware nach Typ A erweist<br />

sich bei <strong>der</strong> Umsetzung red<strong>und</strong>anter Gesamtstrukturen<br />

wegen <strong>der</strong> erwähnten CCF-Problematik als<br />

vorteilhaft.<br />

Das spezielle Design, bei dem durch die Verwendung<br />

e<strong>in</strong>er zusätzlichen sicheren Logikhardware<br />

(SIL-Modul) höchste Anfor<strong>der</strong>ungen an die Zuverlässigkeit<br />

<strong>der</strong> Sicherheitsfunktionen erfüllt werden,<br />

fand beson<strong>der</strong>en Anklang.<br />

Durch den E<strong>in</strong>satz des zusätzlichen SIL-Moduls war es<br />

möglich, elektromechanische Wegendschalter <strong>und</strong> die<br />

Drehmomentüberwachung mit <strong>in</strong> die Sicherheitsfunktion<br />

zu <strong>in</strong>tegrieren. Bei vergleichbaren Systemen werden<br />

diese Signale üblicherweise ausgeblendet, <strong>der</strong> Antrieb<br />

fährt im Anfor<strong>der</strong>ungsfall mit höchstem Drehmoment<br />

<strong>in</strong> die Armaturenendlage, während <strong>in</strong> <strong>der</strong> aktuellen<br />

Lösung die gewohnten Funktionen zum Schutz<br />

<strong>der</strong> Armatur zum E<strong>in</strong>satz kommen.<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

04.09.2013<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

AUTOREN<br />

Dipl. Ing. (FH) PETER MALUS ist bei<br />

Auma als Produktmanager für den<br />

Bereich Drehantriebe <strong>und</strong> Explosionsschutz<br />

tätig. Im Rahmen e<strong>in</strong>es Entwicklungsprojektes<br />

war er im Projektteam für<br />

die Def<strong>in</strong>ition <strong>der</strong> gr<strong>und</strong>legenden Anfor<strong>der</strong>ungen<br />

des „Sicheren Stellantriebs“<br />

zuständig.<br />

AUMA Riester GmbH & Co. KG,<br />

Aumastraße 1,<br />

D-79379 Müllheim,<br />

Tel. + 49 (0) 7631 80 90,<br />

E-Mail: Peter.Malus@auma.com<br />

Dipl. Ing. WERNER THOMANN arbeitet bei<br />

Auma als Entwicklungs<strong>in</strong>genieur <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />

Elektronikabteilung <strong>und</strong> war für die<br />

Entwicklung <strong>der</strong> zusätzlichen Logikhardware<br />

(SIL-Modul) für den sicheren<br />

Stellantrieb zuständig. Zudem war er<br />

maßgeblich an <strong>der</strong> Erstellung <strong>der</strong> Dokumentation<br />

entsprechend dem FSM Plan<br />

beteiligt.<br />

AUMA Riester GmbH & Co. KG,<br />

Aumastraße 1,<br />

D-79379 Müllheim,<br />

Tel. +49 (0) 7631 80 90,<br />

E-Mail: Werner.Thomann@auma.com<br />

REFERENZEN<br />

[1] DIN EN 61508: Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener<br />

elektrischer/elektronischer/programmierbarer<br />

elektronischer Systeme, Teile 1 bis 7.<br />

VDE, Beuth<br />

[2] SN 29500: Ausfallraten Bauelemente – Erwartungswerte,<br />

Teile 1 bis 15. Siemens AG<br />

[3] Arndt, V., Kuschnerus, N., Morr, W., Netter, P.,<br />

Schroers, B.: Funktionale Sicherheit – e<strong>in</strong> wichtiges<br />

Thema <strong>in</strong> <strong>der</strong> NAMUR. Tagungsband 8. AALE<br />

Fachkonferenz 2011, S. 7-15. Oldenbourg Industrieverlag,<br />

2011<br />

[4] Netter, P.: Wie die Sicherheit laufen lernte.<br />

Ent wicklung <strong>der</strong> funktionalen Sicherheit <strong>in</strong> Deutschland.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> – Automatisierungstechnische<br />

Praxis 52(1-2), S. 46-55, 2011<br />

Prof. Dr.-Ing. KARL-HEINZ KAYSER<br />

(geb. 1955) lehrt an <strong>der</strong> Hochschule<br />

Essl<strong>in</strong>gen <strong>in</strong> <strong>der</strong> Fakultät Mechatronik<br />

<strong>und</strong> Elektrotechnik im Studiengang<br />

Automatisierungstechnik. Er leitet das<br />

Labor Automatisierungstechnik am<br />

Standort <strong>in</strong> Göpp<strong>in</strong>gen. Im Rahmen e<strong>in</strong>es<br />

Forschungssemesters beteiligte er sich an<br />

<strong>der</strong> Entwicklung des sicheren Stellantriebs.<br />

Hochschule Essl<strong>in</strong>gen –<br />

University of Applied Sciences,<br />

Robert-Bosch Str. 1,<br />

D-73037 Göpp<strong>in</strong>gen,<br />

Tel. +49 (0) 7161 679 11 98,<br />

E-Mail: karl-he<strong>in</strong>z.kayser@hs-essl<strong>in</strong>gen.de<br />

56<br />

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

9 / 2014


Der Klassiker für die<br />

Prozessautomation geht<br />

<strong>in</strong>s 21. Jahrh<strong>und</strong>ert<br />

Das Handbuch <strong>der</strong> Prozessautomation ist e<strong>in</strong> Standardwerk für die Planung<br />

verfahrenstechnischer Anlagen. In <strong>der</strong> 5., überarbeiteten Version geht es auf<br />

die Herausfor<strong>der</strong>ung bei <strong>der</strong> Digitalisierung <strong>der</strong> Anlage e<strong>in</strong>. Das Handbuch<br />

wurde von fast 50 Experten mit umfassenden Praxiskenntnissen gestaltet<br />

<strong>und</strong> deckt das gesamte Feld <strong>der</strong> Prozessautomatisierung ab.<br />

Hrsg.: K. F. Früh, U. Maier, D. Schaudel<br />

5. Auflage 2014<br />

740 Seiten, 170 x 240mm, Hardcover<br />

Erhältlich <strong>in</strong> 2 Varianten<br />

www.di-verlag.de<br />

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München<br />

Jetzt vorbestellen!<br />

Bestellung per Fax: +49 (0) 201 Deutscher / 82002-34 Industrieverlag GmbH o<strong>der</strong> | Arnulfstr. abtrennen 124 <strong>und</strong> | 80636 im München Fensterumschlag e<strong>in</strong>senden<br />

Ja, ich bestelle gegen Rechnung 3 Wochen zur Ansicht<br />

___ Ex.<br />

Handbuch <strong>der</strong> Prozessautomatisierung<br />

5. Auflage – ISBN: 978-3-8356-3372-8<br />

für € 199,90 (zzgl. Versand)<br />

Firma/Institution<br />

Vorname, Name des Empfängers<br />

___ Ex.<br />

Handbuch <strong>der</strong> Prozessautomatisierung<br />

mit <strong>in</strong>teraktivem eBook (Onl<strong>in</strong>e-Lesezugriff im MediaCenter)<br />

5. Auflage – ISBN: 978-3-8356-7119-5<br />

für € 259,90 (zzgl. Versand)<br />

Straße / Postfach, Nr.<br />

Land, PLZ, Ort<br />

Antwort<br />

Vulkan-Verlag GmbH<br />

Versandbuchhandlung<br />

Postfach 10 39 62<br />

45039 Essen<br />

Telefon<br />

E-Mail<br />

Telefax<br />

Branche / Wirtschaftszweig<br />

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

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

Zur Wahrung <strong>der</strong> Wi<strong>der</strong>rufsfrist genügt die rechtzeitige Absendung des Wi<strong>der</strong>rufs o<strong>der</strong> <strong>der</strong> Sache an die Vulkan-Verlag GmbH,<br />

Versandbuchhandlung, Friedrich-Ebert-Straße 55, 45127 Essen.<br />

Ort, Datum, Unterschrift<br />

PAHBPA2014<br />

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

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

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


HAUPTBEITRAG<br />

Adaptive Führung<br />

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

Konzept für e<strong>in</strong>e zu 100 % autarke, regenerative Energieversorgung<br />

Ziel des Vorhabens, das <strong>in</strong> diesem Beitrag beschrieben wird, ist die Entwicklung<br />

e<strong>in</strong>es kompakten gr<strong>und</strong>- <strong>und</strong> spitzenlastfähigen Kraftwerks auf Basis regenerativer<br />

Energien <strong>und</strong> verschiedener Energiespeichersysteme. Das Kraftwerk soll autark <strong>in</strong><br />

netzfernen Gebieten e<strong>in</strong>e Strom- <strong>und</strong> <strong>Wasser</strong>stoffversorgung gewährleisten. Die beson<strong>der</strong>e<br />

Innovation liegt <strong>in</strong> <strong>der</strong> neuartigen, energieeffizienten Kopplung <strong>der</strong> Komponenten,<br />

wodurch e<strong>in</strong>e modulare Bauweise sowie e<strong>in</strong>e bessere Optimierung auf<br />

den jahreszeitlichen Energiebedarf des K<strong>und</strong>en <strong>und</strong> die standortspezifischen Energiequellen<br />

möglich werden. Um das autarke Kraftwerk gr<strong>und</strong>lastfähig zu machen,<br />

vernetzt e<strong>in</strong>e speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) die Komponenten mite<strong>in</strong>an<strong>der</strong><br />

<strong>und</strong> ermöglicht so e<strong>in</strong>e bisher unerreichte autarke Systemleistung.<br />

SCHLAGWÖRTER Modulkraftwerk / Hybridkraftwerk / autarke Energieversorgung<br />

Adaptive Control of a Modular Power Plant –<br />

Provid<strong>in</strong>g a Stand-alone Regenerative Energy Supply<br />

The ma<strong>in</strong> focus of the project is the development of a small base / peak load power<br />

plant us<strong>in</strong>g renewable sources of energy and various storage systems for rural energy<br />

supply with electricity and hydrogen. The ma<strong>in</strong> <strong>in</strong>novation is the efficient coupl<strong>in</strong>g<br />

of the various components, which allows a seasonal and location specific adaptation<br />

to the specific demand. The power plant is equipped with a programmable<br />

logic controller (PLC) which offers a new quality of stand-alone system performance.<br />

KEYWORDS Modular power plant / hybrid power plant / stand alone energy supply<br />

58<br />

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

9 / 2014


CHRISTIAN KOLBE, Fachhochschule Strals<strong>und</strong><br />

Mit dem weltweiten Ausbau von regenerativen<br />

Energien <strong>und</strong> <strong>der</strong> allgeme<strong>in</strong>en Frage <strong>der</strong> Verteilung<br />

sowie <strong>der</strong> Speicherung von Energie<br />

wird <strong>der</strong> dezentrale E<strong>in</strong>satz von autarken,<br />

regenerativen Kle<strong>in</strong>kraftwerken immer <strong>in</strong>teressanter.<br />

Die abnehmende Zahl von Großkraftwerken <strong>und</strong><br />

die gleichzeitig wachsende <strong>in</strong>stallierte Leistung von regenerativen<br />

Erzeugern erfor<strong>der</strong>n e<strong>in</strong>e Lösungsstrategie, um<br />

die Gr<strong>und</strong>lastversorgung mit regenerativen Energien zu<br />

sichern. Das autarke Modulkraftwerk (MKW) als Eigenentwicklung<br />

im Rahmen e<strong>in</strong>es För<strong>der</strong>projektes am Institut<br />

für Regenerative Energiesysteme (IRES) <strong>der</strong> FH-Strals<strong>und</strong><br />

vere<strong>in</strong>t e<strong>in</strong> autarkes, modulares Energienetz mit verschiedenen<br />

Speichertechnologien. Zwecks weltweiter Transportierbarkeit<br />

<strong>in</strong> netzferne Regionen ist es <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em 20 Fuß-<br />

Conta<strong>in</strong>er untergebracht. Der Anwendungsfall zielt gr<strong>und</strong>sätzlich<br />

auf die Elektrifizierung mit e<strong>in</strong>em <strong>in</strong>dividuellen<br />

Lastprofil ab, <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em nicht erschlossenen Gebiet. Durch<br />

den modularen Aufbau <strong>und</strong> die Möglichkeit, das System<br />

<strong>in</strong>dividuell energetisch auf den Nutzer anzupassen, ergeben<br />

sich nahezu une<strong>in</strong>geschränkte E<strong>in</strong>satzmöglichkeiten.<br />

Die externen Erzeuger lassen sich ohne großen Aufwand<br />

demontieren <strong>und</strong> zum Transport im Conta<strong>in</strong>er verstauen.<br />

Es s<strong>in</strong>d verschiedene Systemaufbauten möglich, wobei die<br />

Leistung sowie <strong>der</strong> Erzeuger variiert werden kann.<br />

Der Prototyp <strong>in</strong> Strals<strong>und</strong> ist als Drehstrom-Inselsystem<br />

ausgeführt, wobei neben e<strong>in</strong>er Kle<strong>in</strong>w<strong>in</strong>dkraftanlage<br />

e<strong>in</strong>e Fotovoltaikanlage als Haupterzeuger <strong>in</strong>stalliert<br />

ist. Die Hauptenergiequelle des Inselsystems ist<br />

e<strong>in</strong>e 48 V-Blei- OPZV-Batteriebank, die aus E<strong>in</strong>zelzellen<br />

besteht, die über bidirektionale Inselwechselrichter die<br />

Energieversorgung <strong>der</strong> Wechselstrom/Drehstromverbraucher<br />

übernimmt. Als Backup o<strong>der</strong> Möglichkeit zur<br />

Überschusse<strong>in</strong>speisung können die Inselwechselrichter<br />

auf e<strong>in</strong> lokales Netz synchronisiert werden.<br />

Neben dem elektrischen System ist das Kraftwerk mit<br />

e<strong>in</strong>er vollständigen <strong>Wasser</strong>stoffkette, bestehend aus<br />

zwei Elektrolyseuren, e<strong>in</strong>er Brennstoffzelle sowie e<strong>in</strong>em<br />

<strong>Wasser</strong>stoffspeicher auf Basis von Druckgasspeichern<br />

ausgestattet. Der <strong>Wasser</strong>stoffspeicher dient <strong>in</strong> <strong>der</strong> Konfiguration<br />

des Prototyps <strong>in</strong> erster L<strong>in</strong>ie als Saisonalspeicher,<br />

wobei Energieüberschüsse im Inselnetz durch die<br />

<strong>Wasser</strong>stoffherstellung abgefangen <strong>und</strong> Energieengpässe<br />

über die Rückverstromung des <strong>Wasser</strong>stoffs durch<br />

e<strong>in</strong>e Brennstoffzelle möglichst vermieden werden.<br />

1. SYSTEMAUSLEGUNG<br />

Die Systemauslegung wurde mit <strong>der</strong> frei verfügbaren Software<br />

Homer Legacy [5] durchgeführt, die auf die Auslegung<br />

von Inselsystemen spezialisiert ist. Die Komponenten<br />

werden mit den Kennl<strong>in</strong>ien <strong>der</strong> Datenblätter über<br />

quantitative Sensitivitäten def<strong>in</strong>iert, wodurch die Software<br />

das System berechnet. Somit ist es möglich, neben<br />

e<strong>in</strong>er standortspezifischen Ertragsprognose <strong>der</strong> regenerativen<br />

Erzeuger unter E<strong>in</strong>beziehung von Lastprofilen e<strong>in</strong>e<br />

wirtschaftlich-energetisch optimierte Systemauslegung<br />

zu treffen, passend zu e<strong>in</strong>em def<strong>in</strong>ierten Lastprofil [2].<br />

Für die Auslegung des Prototyps werden <strong>in</strong> <strong>der</strong> Simulation<br />

normierte Lastprofile mit den Standards Bus<strong>in</strong>ess,<br />

Haushalt <strong>und</strong> Landwirtschaft verwendet. Durch<br />

mehrjährige W<strong>in</strong>dmessungen stehen aussagekräftige<br />

Werte für die Simulation <strong>der</strong> W<strong>in</strong>dkraftanlage zur Verfügung,<br />

die <strong>in</strong> Komb<strong>in</strong>ation mit den Daten <strong>der</strong> Solardatenbank<br />

<strong>der</strong> Software die Energieproduktion des Systems<br />

h<strong>in</strong>reichend genau vorhersagen können.<br />

Bei <strong>der</strong> Validierung <strong>der</strong> Simulationsdaten gegen die<br />

realen Messdaten fällt die Kle<strong>in</strong>w<strong>in</strong>dkraftanlage mit sehr<br />

schlechter Bilanz auf, da diese real nur e<strong>in</strong>en Bruchteil<br />

des prognostizierten Ertrags pro Jahr erzeugt. Die Prognose<br />

<strong>der</strong> Fotovoltaikanlage wurde <strong>in</strong> <strong>der</strong> Simulation sehr<br />

genau bilanziert. Die angesetzte maximale Versorgungskapazität<br />

im autarken Betrieb von 11 kWh/Tag bei genormten<br />

Lastprofilen musste aufgr<strong>und</strong> <strong>der</strong> schlecht funktionierenden<br />

Kle<strong>in</strong>w<strong>in</strong>dkraftanlage auf 7 kWh/Tag korrigiert<br />

werden. Diese Prognose wurde durch Entladetests<br />

im Zeitraum von e<strong>in</strong>em Jahr am realen System bestätigt.<br />

In Bild 2 s<strong>in</strong>d die simulierten Ladezustände <strong>der</strong> Batterie<br />

<strong>und</strong> des <strong>Wasser</strong>stoffspeichers im zeitlichen Verlauf<br />

über e<strong>in</strong> Jahr abgebildet, wobei das System über<br />

e<strong>in</strong> Haushalts-Lastprofil mit e<strong>in</strong>em gemittelten Verbrauch<br />

von 7 kWh/Tag belastet wird. Die Batterien s<strong>in</strong>d<br />

<strong>in</strong>itial vollständig geladen.<br />

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

9 / 2014<br />

59


HAUPTBEITRAG<br />

Der <strong>Wasser</strong>stoffspeicher ist <strong>in</strong>itial vollständig entleert.<br />

Er wird im Sommer beladen <strong>und</strong> <strong>in</strong> den ertragsschwachen<br />

Zeiten im W<strong>in</strong>ter entladen. Die Simulationsergebnisse<br />

vermitteln jedoch nur e<strong>in</strong>e erste Dimensionierung<br />

<strong>der</strong> Komponenten, abhängig von e<strong>in</strong>em spezifischen Lastprofil.<br />

Spezielle Betriebsführungen können jedoch nicht<br />

<strong>in</strong> die Simulation e<strong>in</strong>gepflegt werden.<br />

1.1 Systemübersicht<br />

Die Wechselrichter s<strong>in</strong>d zwecks freier Konvektion an<br />

den Wänden des Conta<strong>in</strong>ers <strong>in</strong>stalliert, siehe Bild 3. Die<br />

elektrische Verschaltung erfolgt im Hauptschaltschrank,<br />

wobei die Hauptsteuerung <strong>in</strong> <strong>der</strong> Schaltschranktür <strong>in</strong>stalliert<br />

ist. Bei Ausfall <strong>der</strong> SPS lässt sich das Kraftwerk<br />

über e<strong>in</strong>e Handsteuerung bedienen. Tabelle 1 zeigt die<br />

Komponenten des Modulkraftwerks.<br />

am E<strong>in</strong>gang, wie <strong>in</strong> Bild 5 durch die gestrichelten L<strong>in</strong>ien<br />

dargestellt, ke<strong>in</strong> Netz anliegt [2].<br />

Der Ausgang <strong>der</strong> Inselwechselrichter ist <strong>der</strong> netzbildende<br />

Anschluss des Inselwechselrichters, wobei <strong>der</strong> E<strong>in</strong>gang ausschließlich<br />

als Backup/E<strong>in</strong>speisung genutzt werden kann.<br />

Im autarken Betrieb wird die Last über die Batterie <strong>und</strong> die<br />

Erzeuger versorgt. Steigt im Ladevorgang die Batteriespannung<br />

über das vorgegebene Limit <strong>der</strong> Ladephase, so werden<br />

die Erzeuger mittels Frequenzerhöhung im Inselnetz vom<br />

Inselwechselrichter abgeworfen, wodurch das System vor<br />

Überladung geschützt wird. Um die Erzeugerenergie im autarken<br />

Betrieb möglichst auszuschöpfen, ist e<strong>in</strong>e genaue<br />

Systemauslegung auf die elektrischen Lasten vorteilhaft.<br />

2. SYSTEMBESCHREIBUNG<br />

Die Inselwechselrichter mit <strong>in</strong>tegriertem Ladegerät<br />

stellen über den Batterieanschluss e<strong>in</strong> bidirektionales<br />

Drehstrom<strong>in</strong>selnetz am Ausgang (AC_out) bereit, worüber<br />

die Energie <strong>der</strong> Erzeuger <strong>in</strong> die Batterie geladen,<br />

wie auch über die Verbraucher aus <strong>der</strong> Batterie entnommen<br />

werden kann, siehe Bild 4. Neben <strong>der</strong> direkt<br />

verbrauchten Energie durch e<strong>in</strong>e elektrische Last o<strong>der</strong><br />

die Elektrolyseure wird die Überschussenergie im Inselnetzbetrieb<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> Batterie gespeichert. Die Erzeuger<br />

s<strong>in</strong>d über separate Netzwechselrichter auf das Inselnetz<br />

synchronisiert. Der Ladezustand <strong>der</strong> Batterie wird<br />

durch e<strong>in</strong>en separaten Batteriemonitor über e<strong>in</strong>e<br />

Shunt-Messung bestimmt.<br />

Bei Verfügbarkeit e<strong>in</strong>es lokalen Netzes kann über den<br />

E<strong>in</strong>gang <strong>der</strong> Inselwechselrichter (AC_<strong>in</strong>) die Überschussenergie<br />

aus dem Inselnetz e<strong>in</strong>gespeist, die Batterie<br />

bei Tiefenentladung <strong>in</strong> ertragsschwachen Zeiten<br />

nachgeladen sowie die elektrischen Verbraucher variabel<br />

unterstützt werden. Zudem besteht die Möglichkeit,<br />

die Batterien <strong>in</strong>s Netz zu entladen, um zum Beispiel<br />

e<strong>in</strong> Microgrid zu unterstützen.<br />

Die Funktionalität <strong>der</strong> gesteuerten Netzzuschaltung<br />

wird vom Inselwechselrichter nicht übernommen. Um e<strong>in</strong>e<br />

gezielte Netzzuschaltung <strong>in</strong> Abhängigkeit vom Ladezustand<br />

<strong>der</strong> Batterie, Erzeugerlast sowie Verbraucherlast zu<br />

realisieren, ist das System mit e<strong>in</strong>er übergeordneten SPS<br />

ausgerüstet, die e<strong>in</strong>e optimierte Betriebsführung des autarken<br />

Kraftwerks ermöglicht. Das Kraftwerk kann, abhängig<br />

vom E<strong>in</strong>satzgebiet, <strong>in</strong> verschiedenen Modi gefahren<br />

werden. Über die Verschaltungsmöglichkeiten <strong>der</strong> Netzkopplung<br />

lässt sich das Kraftwerk <strong>in</strong>dividuell betreiben.<br />

BILD 1: Aufbau e<strong>in</strong>es Conta<strong>in</strong>erkraftwerks mit<br />

verschiedenen Systemaufbauten<br />

BILD 2: Simulierte Ladezustände <strong>der</strong><br />

Speicher über e<strong>in</strong> Jahr<br />

2.1 Autarker Betrieb<br />

Das Haupte<strong>in</strong>satzgebiet des Modulkraftwerks s<strong>in</strong>d<br />

netzferne Regionen, wo e<strong>in</strong> lokales Netz sowie e<strong>in</strong> Notstromaggregat<br />

nicht o<strong>der</strong> selten vorhanden s<strong>in</strong>d. Im<br />

autarken Betrieb s<strong>in</strong>d die regenerativen Erzeuger auf<br />

die Ausgänge <strong>der</strong> Inselwechselrichter geschaltet, wobei<br />

BILD 3: Innenansicht des Conta<strong>in</strong>ers<br />

60<br />

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

9 / 2014


2.2 Semi-autarker Betrieb<br />

Der semi-autarke Betrieb ähnelt dem autarken Betrieb, mit<br />

dem Unterschied, dass am E<strong>in</strong>gang <strong>der</strong> Inselwechselrichter<br />

das lokale Netz zugeschaltet wird, siehe Bild 5. Somit<br />

kann das System bei Perioden ger<strong>in</strong>ger Last <strong>und</strong> hoher<br />

Energieproduktion vollständig <strong>in</strong> Betrieb bleiben,<br />

ohne die Erzeuger abschalten zu müssen [2]. Nachteilig<br />

an diesem Betriebsmodus ist, dass bei großen Anschlussleistungen<br />

im Inselnetz sowie bei <strong>der</strong> Batterienachladung<br />

immer e<strong>in</strong> Anteil Netzenergie bezogen<br />

wird <strong>und</strong> somit <strong>der</strong> autarke Gr<strong>und</strong>gedanke des Kraftwerks<br />

<strong>in</strong> den H<strong>in</strong>tergr<strong>und</strong> rückt. Der maximale Bezugsstrom<br />

am E<strong>in</strong>gang wird, je nach E<strong>in</strong>speiselast,<br />

dynamisch e<strong>in</strong>gestellt.<br />

2.3 Netzbetrieb<br />

Im Netzbetrieb wird das lokale Netz, wie <strong>in</strong> Bild 6<br />

gezeigt, am E<strong>in</strong>gang zugeschaltet <strong>und</strong> die regenerativen<br />

Erzeuger ebenfalls auf das lokale Netz synchronisiert.<br />

Somit entsteht e<strong>in</strong> netzgeb<strong>und</strong>enes Batteriekraftwerk,<br />

das bei Netzausfall e<strong>in</strong>e unterbrechungsfreie<br />

Stromversorgung <strong>der</strong> Lasten darstellt. Bei e<strong>in</strong>er<br />

Unterbrechung des lokalen Netzes schalten sich die<br />

Komponente<br />

Elektrisches System<br />

Inselwechselrichter<br />

Fotovoltaikanlage<br />

Kle<strong>in</strong>w<strong>in</strong>dkraftanlage<br />

Wandler Brennstoffzelle<br />

Batteriespeicher<br />

<strong>Wasser</strong>stoffsystem<br />

Brennstoffzelle<br />

Elektrolyseur<br />

H 2 -Speicher<br />

Steuerung<br />

HMI-SPS<br />

Gehäuse<br />

Conta<strong>in</strong>er<br />

Isolierung<br />

Details<br />

3 x 3,6 kW, 400 Vac. 48 Vdc<br />

15 x 240 Wp, 3,6 kWp Wechselrichter<br />

1,5 kW, 170 Vdc, 1,7 kWp Wechselrichter<br />

DC/DC, 1,2 kW, 48 V Ausgangsspannung<br />

24 x 2V Zelle, OPZV, 600 Ah (C10)<br />

1,2 kW, 16-36 V, (PEM), 48 V DC/DC Wandler<br />

2 x (1,2 kW, 200 Nl/h), 30 Bar max.<br />

2 x 60 l Stahlflasche mit GFK<br />

DC1010, 10“-Display, 400 MHz<br />

DIN-20 Fuß-Überseeconta<strong>in</strong>er<br />

60 mm-PUR-Sandwichplatten<br />

BILD 5: Autarker<br />

beziehungsweise<br />

semi-autarker Betrieb<br />

TABELLE 1: Komponentenübersicht des Systems<br />

BILD 6: Netzbetrieb<br />

(netzgeb<strong>und</strong>enes<br />

Batteriekraftwerk)<br />

BILD 4: Gesamtsystem des Modulkraftwerks<br />

BILD 7: Kriterien <strong>der</strong> Netzautomatik<br />

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

9 / 2014<br />

61


HAUPTBEITRAG<br />

regenerativen Erzeuger ab, <strong>und</strong> das Inselsystem sichert<br />

die Energiebereitstellung.<br />

Der Vorteil dieser Verschaltung ist, dass die Nennleistung<br />

<strong>der</strong> Inselwechselrichter nicht <strong>der</strong> Nennleistung<br />

<strong>der</strong> Erzeuger entsprechen muss, wie es bei den autarken<br />

Modi <strong>der</strong> Fall ist, <strong>und</strong> somit die Inselwechselrichter, je<br />

nach Lastanfor<strong>der</strong>ung, kle<strong>in</strong>er dimensioniert werden<br />

können. In den autarken Modi, muss <strong>der</strong> Inselwechselrichter<br />

<strong>der</strong> Nennleistung <strong>der</strong> Erzeuger entsprechen, um<br />

diese Leistung <strong>in</strong> die Batterie laden zu können.<br />

3. ADAPTIVES STEUERUNGS- UND REGELUNGSKONZEPT<br />

Um den autarken E<strong>in</strong>satz des Kraftwerks <strong>in</strong>dividuell<br />

anpassbar <strong>und</strong> zu e<strong>in</strong>em gewissen Maß <strong>in</strong>telligent zu<br />

machen, s<strong>in</strong>d <strong>in</strong> <strong>der</strong> SPS des Modulkraftwerks Funktionalitäten<br />

programmiert, die die Systemperformance<br />

des Gesamtsystems maßgeblich bee<strong>in</strong>flussen. Das e<strong>in</strong>gesetzte<br />

Steuerungsgerät ist e<strong>in</strong>e kompakte HMI-Steuerung,<br />

die über Steckkarten mit E<strong>in</strong>/Ausgängen sowie<br />

mit verschiedenen Schnittstellen ausgestattet <strong>und</strong> <strong>in</strong><br />

e<strong>in</strong>em Displaygehäuse verbaut ist. Die Steuerung wird<br />

mit <strong>der</strong> Software CoDeSys 2.3 programmiert <strong>und</strong> vernetzt<br />

im Modulkraftwerk alle def<strong>in</strong>ierten Schnittstellen<br />

mite<strong>in</strong>an<strong>der</strong>. Über e<strong>in</strong>e RS 232-Schnittstelle werden die<br />

wichtigsten elektrischen Systemgrößen <strong>der</strong> Inselwechselrichter,<br />

wie <strong>der</strong> Ladezustand <strong>der</strong> Batterie, die aktuelle<br />

Ladephase <strong>und</strong> die elektrischen Messwerte, ausgelesen.<br />

3.1 Netzautomatik<br />

Das Ziel <strong>der</strong> Netzautomatik ist es, die Netzkopplung ausschließlich<br />

zur Überschuss- o<strong>der</strong> Batteriee<strong>in</strong>speisung zu<br />

nutzen. Die vordef<strong>in</strong>ierte Betriebsführung <strong>der</strong> Inselwechselrichter<br />

wird durch die übergeordnete SPS wesentlich<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong>en Anwendungsvariabilität erweitert.<br />

Somit wird neben <strong>der</strong> Überschusse<strong>in</strong>speisung e<strong>in</strong>e geziehlte<br />

Batteriee<strong>in</strong>speisung mit anschließen<strong>der</strong> autarker<br />

Nachladung möglich. So könnte e<strong>in</strong> aus mehreren Modulkraftwerken<br />

bestehendes M<strong>in</strong>igrid Energie zwischen<br />

e<strong>in</strong>zelnen Conta<strong>in</strong>ern transferieren. Ohne die Netzautomatik<br />

ist e<strong>in</strong>e def<strong>in</strong>ierte autarke Ladung <strong>in</strong> den netzgekoppelten<br />

Modi nicht möglich. Sobald ke<strong>in</strong>e Überschussenergie<br />

im Inselsystem mehr anfällt, wird das lokale<br />

Netz durch die Netzautomatik vom Kraftwerk getrennt.<br />

Mit Unterschreiten e<strong>in</strong>es kritischen Batterieladezustands<br />

wird das lokale Netz zwecks Batterienachladung<br />

zur Vorbeugung e<strong>in</strong>es Systemausfalls zugeschaltet. Folgende<br />

Regelgrößen gehen <strong>in</strong> die Netzautomatik e<strong>in</strong>:<br />

Batterieladephase: Bulk (I)/ Absorption (U1)/<br />

Schwebeladung (U2)<br />

Referenzspannung <strong>der</strong> Ladephasen <strong>und</strong> Batteriespannung<br />

Die Netzautomatik vergleicht die aktuelle Batterieladephase<br />

<strong>der</strong> mehrstufigen Ladekurve mit <strong>der</strong> Batteriespannung<br />

<strong>und</strong> <strong>der</strong>en Sollwert <strong>und</strong> entscheidet, ob das<br />

Kraftwerk autark, o<strong>der</strong> zwecks Überschusse<strong>in</strong>speisung,<br />

mit Netzkopplung arbeitet, siehe Bild 7. Die Batterieladephase<br />

<strong>der</strong> Inselwechselrichter ist abhängig<br />

vom errechneten SOC des Batteriemanagementsystems<br />

(BMS). Dieses wurde speziell auf die verwendeten Batterien<br />

parametriert.<br />

Somit wird <strong>der</strong> Energiebezug aus dem Netz auf e<strong>in</strong><br />

M<strong>in</strong>imum begrenzt <strong>und</strong> das Kraftwerk bis zu def<strong>in</strong>ierten<br />

Grenzsituationen autark betrieben. Die Netzautomatik<br />

ist entsprechend <strong>der</strong> Ladezyklenwechsel <strong>der</strong><br />

Batterie träge schaltend, um e<strong>in</strong> zu häufiges Zu/Abschalten<br />

des Netzes zu verh<strong>in</strong><strong>der</strong>n. Die Batterien werden,<br />

soweit wie möglich, autark geladen, wobei <strong>der</strong> Ladezyklus<br />

durch das lokale Netz vollständig beendet wird.<br />

BILD 8: Spannung [V] <strong>und</strong> Frequenz [Hz] am AC_<strong>in</strong><br />

BILD 10: Ladezustand [%] <strong>und</strong> Batteriespannung [V]<br />

BILD 9: Summenstrom [A] am AC_<strong>in</strong><br />

BILD 11: Summenleistung [kVA] am AC_out<br />

62<br />

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

9 / 2014


E<strong>in</strong>e vollständig, autarke Ladung ist aufgr<strong>und</strong> <strong>der</strong> unregelbaren<br />

regenerativen Erzeuger meist nicht möglich.<br />

Entladetest mit Netzautomatik<br />

Im folgenden Abschnitt wird e<strong>in</strong>e Messung e<strong>in</strong>er Batteriee<strong>in</strong>speisung<br />

<strong>in</strong>s lokale Netz mit anschließen<strong>der</strong> autarker<br />

Nachladung durch die regenerativen Erzeuger dargestellt.<br />

Als Lastszenario wird zwischen 2 <strong>und</strong> 5 Uhr e<strong>in</strong><br />

Teil <strong>der</strong> gespeicherten Energie aus <strong>der</strong> Batterie <strong>in</strong>s lokale<br />

Netz e<strong>in</strong>gespeist, <strong>in</strong>dem das Netz <strong>in</strong> diesem Zeitraum<br />

zugeschaltet, siehe Bild 8, die Batteriee<strong>in</strong>speisung aktiviert<br />

<strong>und</strong> <strong>der</strong> Sollwert für die E<strong>in</strong>speisung auf 5 A pro<br />

Phase e<strong>in</strong>gestellt wird, siehe Bild 9. Die Messung zeigt<br />

den charakteristischen Verlauf e<strong>in</strong>es sonnigen Märztages.<br />

Wie <strong>in</strong> Bild 9 gezeigt, summiert sich <strong>der</strong> E<strong>in</strong>speisestrom<br />

am AC_<strong>in</strong> auf 15 A.<br />

Die Batterie wird <strong>in</strong> diesem Zeitraum von <strong>in</strong>itial<br />

90 % SOC bis zu 50 % SOC entladen, wobei die Batteriespannung<br />

auf 46,5 V e<strong>in</strong>bricht, siehe Bild 10.<br />

Mit beg<strong>in</strong>nen<strong>der</strong> Fotovoltaike<strong>in</strong>speisung ab t > 8 Uhr,<br />

wird die Batterie bis t = 17 Uhr autark geladen, siehe Bild<br />

11. Der Ladezustand steigt über den Tag bis auf 90 % SOC<br />

an, wobei die Batteriespannung e<strong>in</strong>en Wert 55 V erreicht.<br />

Die summierte Leistung am Inselnetzausgang (AC_<br />

out) ist <strong>in</strong> Bild 11 dargestellt. Würde die Batterie im<br />

Verlauf des Tages vollständig geladen <strong>und</strong> die Ladeendspannung<br />

erreichen, würde die Netzautomatik das lokale<br />

Netz zwecks Überschusse<strong>in</strong>speisung zuschalten.<br />

Normalbetrieb mit Netzautomatik<br />

Im nächsten Abschnitt wird <strong>der</strong> Normalbetrieb des<br />

Systems mit aktivierter Netzautomatik beschrieben. Die<br />

Messung zeigt e<strong>in</strong>e charakteristische Messung e<strong>in</strong>es<br />

Tages im August. Das System läuft bis t = 10 Uhr autark<br />

ohne Netzkopplung, siehe Bild 12.<br />

Mit beg<strong>in</strong>nen<strong>der</strong> Energieproduktion <strong>der</strong> Fotovoltaikanlage<br />

ab t > 9 Uhr, siehe Bild 13, steigt die Batteriespannung,<br />

siehe Bild 14, stetig an, bis die Ladeendspannung<br />

erreicht wird.<br />

Bei t = 10 Uhr wird die Ladeendspannung von 57 V<br />

erreicht, siehe Bild 14, <strong>und</strong> die Netzautomatik schaltet<br />

das lokale Netz zu, um e<strong>in</strong>e Überspannung zu vermeiden.<br />

Mit zugeschaltetem Netz bei t > 10 Uhr wird die<br />

Ladeendspannung noch bis t = 10:30 Uhr gehalten, um<br />

den Batterieladezyklus vollständig zu beenden. Während<br />

<strong>der</strong> Überschusse<strong>in</strong>speisung wird die Batteriespannung<br />

auf dem def<strong>in</strong>ierten Niveau <strong>der</strong> Schwebeladungsspannung<br />

gehalten.<br />

Mit zugeschaltetem Netz wird <strong>der</strong> überschüssige Erzeugerstrom<br />

<strong>in</strong>s lokale Netz gespeist, siehe Bild 15. Ab<br />

t = 22 Uhr wird mit e<strong>in</strong>er def<strong>in</strong>ierten Verzögerung zur<br />

letzten Überschusse<strong>in</strong>speisung <strong>der</strong> autarke Modus aktiviert<br />

<strong>und</strong> das Kraftwerk ohne Netzkopplung durch<br />

die Nacht betrieben, siehe Bild 12.<br />

Die Netzautomatik bietet somit die Möglichkeit, die<br />

ungeregelten regenerativen Erzeuger solange autark zu<br />

betreiben, bis die Referenzspannung <strong>der</strong> jeweiligen<br />

Ladephase überschritten wird. Beim Betrieb mit deaktivierter<br />

Netzautomatik würden die Erzeuger stattdessen<br />

über e<strong>in</strong>e Erhöhung <strong>der</strong> Inselnetzfreuqenz über die<br />

Betriebsführung <strong>der</strong> Inselwechselrichter abgeschaltet,<br />

wobei Ertragsausfälle entstehen. Somit wird die autarke<br />

Performance des Kraftwerks durch die Netzautomatik<br />

verbessert <strong>und</strong> e<strong>in</strong>e gezielte E<strong>in</strong>speisung <strong>in</strong>s<br />

lokale Netz ermöglicht.<br />

3.2 Dynamische Entladegrenze<br />

Die autarke Ausrichtung e<strong>in</strong>es Systems br<strong>in</strong>gt immer<br />

e<strong>in</strong>en möglichen Energieengpass mit sich, wobei ungesicherte<br />

Lasten zwecks Vorbeugung e<strong>in</strong>es Systemausfalls<br />

abgeworfen werden. Das Modulkraftwerk bedient<br />

sich dieser Funktionalität mit <strong>der</strong> Erweiterung e<strong>in</strong>er<br />

BILD 12: Spannung [V] <strong>und</strong> Frequenz [Hz] am AC_<strong>in</strong><br />

BILD 14: Ladezustand [%] <strong>und</strong> Batteriespannung [V]<br />

BILD 13: Summenleistung [kVA] am AC_out<br />

BILD 15: Summenstrom [A] am AC_<strong>in</strong><br />

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

9 / 2014<br />

63


HAUPTBEITRAG<br />

BILD 16: Monatliche Ertragsprognose des Systems [kWh]<br />

BILD 18: Kriterien für <strong>Wasser</strong>stofferzeugung<br />

BILD 17: Dynamische Entladegrenze <strong>der</strong> Batterie [%]<br />

BILD 19: Betriebsführung Rückverstromung<br />

dynamischen Anpassung <strong>der</strong> Lastabwurfschwelle, die<br />

als Initialwerte die Ertragsdaten <strong>der</strong> Software Homer<br />

Legacy, siehe Bild 16, sowie die Eigenverbrauchsdaten<br />

<strong>und</strong> Lastprofildaten <strong>der</strong> Nutzeranfor<strong>der</strong>ung zur Errechnung<br />

<strong>der</strong> Lastabwurfschwelle verwendet [3]. Diese werden<br />

für den jeweiligen E<strong>in</strong>satzort o<strong>der</strong> das Lastszenario<br />

im Quelltext <strong>der</strong> Steuerung h<strong>in</strong>terlegt.<br />

Aus <strong>der</strong> Batteriekapazität <strong>und</strong> dem durchschnittlich<br />

prognostizierten Tagesertrag wird die dynamische Entladegrenze<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> SPS berechnet <strong>und</strong> zwecks Zyklenmaximierung<br />

<strong>der</strong> Batterie auf Werte zwischen 30 % <strong>und</strong><br />

80 % SOC begrenzt. Die Daten <strong>der</strong> Simulation werden mit<br />

den Messwerten von Ertrag <strong>und</strong> Verbrauch monatlich<br />

aktualisiert <strong>und</strong> somit zyklisch <strong>in</strong> <strong>der</strong> SPS korrigiert.<br />

Die untere Entladegrenze <strong>der</strong> Batterie wird mit 30 %<br />

SOC angegeben, wobei die zyklen-maximierte Entladegrenze<br />

mit 80 % SOC angegeben wird. Die errechnete<br />

Entladegrenze wird durch dieses Intervall angepasst<br />

<strong>und</strong> als dynamische Entladegrenze im System verwendet,<br />

siehe Bild 17. Somit kann das System für jeden<br />

Standort jahreszeitabhängig an die <strong>in</strong>dividuell variierenden<br />

Erzeuger-Lastverhältnisse angepasst <strong>und</strong> die<br />

autarke Performance des Systems nochmals gesteigert<br />

werden. Die dauerhaft korrigierten Mittelwerte optimieren<br />

mit <strong>der</strong> Zeit die dynamische Entladegrenze <strong>und</strong><br />

verbessern somit die Ausnutzung <strong>der</strong> Batteriekapazität.<br />

3.3 <strong>Wasser</strong>stoffherstellung (H2-Modus)<br />

Der H2-Modus steuert die gezielte Zuschaltung <strong>der</strong><br />

Elektrolyseurstufen. Bei gleichzeitiger Aktivierung des<br />

H2-Modus mit <strong>der</strong> Netzautomatik wird die <strong>Wasser</strong>stoffkette<br />

im System freigegeben. Im Fall e<strong>in</strong>es Energieüberschusses<br />

im autarken Betrieb werden die Elektrolyseure,<br />

wie <strong>in</strong> Bild 18 dargestellt, zum Abfangen <strong>der</strong><br />

überschüssigen Energie stufenweise aktiviert.<br />

Der Algorithmus ähnelt dem <strong>der</strong> Netzautomatik. Die<br />

Messung <strong>der</strong> Systemlast erfolgt über die Batteriespannung<br />

sowie über die dazugehörige Ladephase <strong>der</strong> Batterie.<br />

Tritt trotz aktivierten Elektrolyseuren e<strong>in</strong>e Batterieüberspannung<br />

auf, wird das Energiemanagement <strong>der</strong><br />

Netzautomatik zugeordnet, die <strong>in</strong> diesem Fall, wenn<br />

möglich, e<strong>in</strong>e Netzzuschaltung durchführt. Um die<br />

Batteriekapazität <strong>der</strong> elektrischen Gr<strong>und</strong>-/Spitzenlastversorgung<br />

vorzuhalten, werden die Elektrolyseure im<br />

H2-Modus durch regenerative Erzeuger betrieben <strong>und</strong><br />

möglichst nicht aus <strong>der</strong> Batterie gespeist.<br />

3.4 <strong>Wasser</strong>stoffrückverstromung (H2-Modus)<br />

Der erzeugte <strong>Wasser</strong>stoff wird im aktivierten <strong>Wasser</strong>stoffbetrieb<br />

zur Rückverstromung <strong>in</strong> ertragsschwachen<br />

64<br />

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

9 / 2014


Zeiten verwendet. Kommt es trotz Lastabwurfsystem<br />

zu e<strong>in</strong>er Tiefenentladung <strong>der</strong> Batterie (SOC < 30 %) wird<br />

über die Brennstoffzelle e<strong>in</strong>e Notladung <strong>der</strong> Batterie<br />

aktiviert.<br />

Im Boost-Betrieb wird die Brennstoffzelle bei hohen<br />

Anschlussleistungen am autarken System aktiviert, um<br />

<strong>der</strong> Batterieentladung entgegenzuwirken. Der Leistungssollwert<br />

für die Aktivierung <strong>der</strong> Boost-Funktion kann<br />

vom Nutzer je nach Spitzenlastbedarf e<strong>in</strong>gestellt werden.<br />

Dieser Wert ist üblicherweise größer als die Nennleistung<br />

<strong>der</strong> regenerativen Erzeuger <strong>und</strong> beträgt maximal<br />

die Nennleistung des Inselsystems (5-10,8 kW).<br />

ZUSAMMENFASSUNG<br />

Das Modulkraftwerk zeigt den Stand <strong>der</strong> Technik im<br />

Bereich autarker Elektrifizierung mit den Schwerpunkten<br />

Leistungselektronik, Batterietechnologie, <strong>Wasser</strong>stofftechnik<br />

sowie Steuerungstechnik auf. Es ist e<strong>in</strong><br />

Beispiel für e<strong>in</strong>e modellbasierte Systementwicklung<br />

mit prognostizierter Ertragsabschätzung. Die Entwicklung<br />

e<strong>in</strong>er Steuerungssoftware als ersten Ansatz für e<strong>in</strong><br />

gr<strong>und</strong>lastfähiges, autarkes Kraftwerk ist erfolgreich<br />

umgesetzt, birgt aber noch e<strong>in</strong> großes Entwicklungspotenzial.<br />

Das für den autarken E<strong>in</strong>satz optimierte Modulkraftwerk<br />

hat Innovationscharakter, da vergleichbare Serienprodukte<br />

am Markt die autarke Ausfallsicherheit<br />

meist über den E<strong>in</strong>satz von fossilen Energien sicherstellen.<br />

Die Komb<strong>in</strong>ation aus Batterie- <strong>und</strong> <strong>Wasser</strong>stoffspeicher<br />

unter Verwendung e<strong>in</strong>er übergeordneten, auf den<br />

autarken E<strong>in</strong>satz optimierten Betriebsführung, lässt<br />

sich <strong>der</strong>zeit am Markt als Serienprodukt nicht f<strong>in</strong>den.<br />

Die verschiedenen Komponenten des Modulkraftwerks<br />

lassen sich nach <strong>der</strong>en anteiligen Kosten pro<br />

Kilowatt darstellt, siehe Bild 20.<br />

Die <strong>Wasser</strong>stoffkomponenten s<strong>in</strong>d wesentlich kosten<strong>in</strong>tensiver<br />

als die Komponenten des gr<strong>und</strong>legenden<br />

Elektrosystems bei gleichzeitig niedrigerer Lebensdauer.<br />

Bei den regenerativen Erzeugern zeigt sich, dass<br />

Kle<strong>in</strong>w<strong>in</strong>dkraftanlagen im Vergleich zu Fotovoltaikanlagen<br />

noch immer weitaus teurer s<strong>in</strong>d. Für die genaue<br />

Ertragsabschätzung <strong>und</strong> Systemauslegung e<strong>in</strong>es autarken<br />

Systems hat sich herausgestellt, dass das Performancepotenzial<br />

von Kle<strong>in</strong>w<strong>in</strong>dkraftanlagen schwierig<br />

e<strong>in</strong>zuschätzen ist <strong>und</strong> manche Produkte kritisch h<strong>in</strong>terfragt<br />

werden müssen.<br />

Durch Verwendung von <strong>Wasser</strong>stoffkomponenten im<br />

Conta<strong>in</strong>er müssen beson<strong>der</strong>e Klimatisierungsvorschriften<br />

bezüglich Luftdurchsatz <strong>und</strong> Temperatur im Conta<strong>in</strong>er<br />

e<strong>in</strong>gehalten werden. In Regionen mit extremen<br />

Temperaturen muss das Conta<strong>in</strong>erkraftwerk mit Klimatisierungsgeräten<br />

ausgestattet werden, die im Prototyp<br />

nicht <strong>in</strong>stalliert s<strong>in</strong>d. Das Modulkraftwerk wird an<br />

<strong>der</strong> FH-Strals<strong>und</strong> bei <strong>der</strong> Ausbildung am Institut für<br />

Regenerative Energiesysteme verwendet <strong>und</strong> dadurch<br />

dauerhaft weiterentwickelt.<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

23.10.2013<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

REFERENZEN<br />

AUTOR<br />

BILD 20:<br />

Prozentuale Kosten<br />

pro Kilowatt Peak<br />

[1] Kolbe, C., Luscht<strong>in</strong>etz, T.: Development of a base load, autarkic,<br />

modular power plant. In: Tagungsband HTRSE 2012, S.43-48,<br />

Miedzyzdroje<br />

[2] Kolbe, C., Luscht<strong>in</strong>etz, T.: Modulkraftwerk- E<strong>in</strong>e Inselenergieversorgung.<br />

In: Tagungsband REGWA Symposium 2012, S.46-50, Strals<strong>und</strong><br />

[3] Kolbe, C., Luscht<strong>in</strong>etz, T.: Adaptives Steuerungs- <strong>und</strong> Regelungskonzept<br />

e<strong>in</strong>es autarken Kraftwerks. In: Tagungsband AALE- 2013,<br />

ISBN: 9783835633643<br />

[4] Hompage Modulkraftwerk: http://salon.io/Modulkraftwerk<br />

[5] NREL: Homer Legacy.<br />

http://www.homerenergy.com/HOMER_legacy.html<br />

Dipl.-Ing. (FH) CHRISTIAN KOLBE<br />

(geb.1981) arbeitet als R&D-System<strong>in</strong>genieur<br />

bei <strong>der</strong> Heliocentris Academia<br />

GmbH <strong>in</strong> Berl<strong>in</strong>. Von 2011 bis 2013 war<br />

er wissenschaftlicher Mitarbeiter beim<br />

Projekt Modulkraftwerk am Institut für<br />

Regenerative Energiesysteme <strong>der</strong><br />

FH-Strals<strong>und</strong>. Nach dem Studium<br />

Regenerative Energietechnik an <strong>der</strong><br />

FH-Nordhausen von 2004 bis 2009 war er bis 2011 als<br />

Entwicklungs<strong>in</strong>genieur Leistungselektronik bei <strong>der</strong> Suzlon<br />

Energy GmbH <strong>in</strong> Rostock tätig.<br />

Heliocentris Academia GmbH,<br />

Rudower Chaussee 29, D-12489 Berl<strong>in</strong>,<br />

Tel. +49 (0) 30 340 60 17 35, E-Mail: Christian.Kolbe@gmx.de<br />

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

9 / 2014<br />

65


IMPRESSUM / VORSCHAU<br />

IMPRESSUM<br />

VORSCHAU<br />

Verlag:<br />

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH<br />

Arnulfstraße 124, D-80636 München<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 0<br />

Telefax + 49 (0) 89 203 53 66 99<br />

www.di-verlag.de<br />

Geschäftsführer:<br />

Carsten Augsburger, Jürgen Franke<br />

Verlagsleiter<strong>in</strong>:<br />

Kirst<strong>in</strong> Sommer<br />

Spartenleiter<strong>in</strong>:<br />

Kirst<strong>in</strong> Sommer<br />

Herausgeber:<br />

Dr.rer.nat. Thomas Albers<br />

Dr. Gunther Kegel<br />

Dipl.-Ing. Hans-Georg Kumpfmüller<br />

Dr.-Ing. Wilhelm Otten<br />

Beirat:<br />

Dr.-Ing. Kurt Dirk Bettenhausen<br />

Prof. Dr.-Ing. Christian Diedrich<br />

Prof. Dr.-Ing. Ulrich Epple<br />

Prof. Dr.-Ing. Alexan<strong>der</strong> Fay<br />

Prof. Dr.-Ing. Michael Felleisen<br />

Prof. Dr.-Ing. Georg Frey<br />

Dipl.-Ing. Thomas Gre<strong>in</strong><br />

Prof. Dr.-Ing. Hartmut Haehnel<br />

Dipl.-Ing. Tim-Peter Henrichs<br />

Dr.-Ing. Jörg Kiesbauer<br />

Dipl.-Ing. Gerald Mayr<br />

Dr.-Ing. Josef Papenfort<br />

Igor Stolz<br />

Dr. Andreas Wernsdörfer<br />

Dipl.-Ing. Dieter Westerkamp<br />

Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich<br />

Dr.rer.nat. Christian Zeidler<br />

Organschaft:<br />

Organ <strong>der</strong> GMA<br />

(VDI/VDE-Gesell schaft Mess<strong>und</strong><br />

Automatisierungs technik)<br />

<strong>und</strong> <strong>der</strong> NAMUR (Interessengeme<strong>in</strong>schaft<br />

Automatisierungstechnik<br />

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

Redaktion:<br />

Jürgen Franke (verantwortlich)<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 10<br />

E-Mail: franke@di-verlag.de<br />

Aljona Hartstock (aha)<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 78<br />

E-Mail: hartstock@di-verlag.de<br />

Gerd Scholz (gz)<br />

E<strong>in</strong>reichung von Hauptbeiträgen:<br />

Prof. Dr.-Ing. Leon Urbas<br />

(Chefredakteur, verantwortlich<br />

für die Hauptbeiträge)<br />

Technische Universität Dresden<br />

Fakultät Elektrotechnik<br />

<strong>und</strong> Informationstechnik<br />

Professur für Prozessleittechnik<br />

D-01062 Dresden<br />

Telefon +49 (0) 351 46 33 96 14<br />

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

Fachredaktion:<br />

Dr.-Ing. Michael Blum<br />

Dipl.-Ing. He<strong>in</strong>rich Engelhard<br />

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jasperneite<br />

Dr.-Ing. Bernhard Kausler<br />

Dr.-Ing. Niels Kiupel<br />

Prof. Dr.-Ing. Gerrit Meixner<br />

Dr.-Ing. Jörg Neidig<br />

Dipl.-Ing. Ingo Rolle<br />

Dr.-Ing. Stefan R<strong>und</strong>e<br />

Prof. Dr.-Ing. Frank Schiller<br />

Bezugsbed<strong>in</strong>gungen:<br />

„<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> – Automatisierungs technische<br />

Praxis“ ersche<strong>in</strong>t monatlich mit Doppelausgaben<br />

im Januar/Februar <strong>und</strong> Juli/August.<br />

Bezugspreise:<br />

Abonnement jährlich: € 519,– + € 30,–/ € 35,–<br />

Versand (Deutschland/Ausland);<br />

Heft-Abonnement + Onl<strong>in</strong>e-Archiv: € 704,70;<br />

ePaper (PDF): € 519,–; ePaper + Onl<strong>in</strong>e-Archiv:<br />

€ 674,70; E<strong>in</strong>zelheft: € 59,– + Versand;<br />

Die Preise enthalten bei Lieferung <strong>in</strong> EU-<br />

Staaten die Mehrwertsteuer, für alle übrigen<br />

Län<strong>der</strong> s<strong>in</strong>d es Nettopreise. Mitglie<strong>der</strong> <strong>der</strong><br />

GMA: 30% Ermäßigung auf den Heftbezugspreis.<br />

Bestellungen s<strong>in</strong>d je<strong>der</strong>zeit über den Leserservice<br />

o<strong>der</strong> jede Buchhandlung möglich.<br />

Die Kündigungsfrist für Abonnement aufträge<br />

beträgt 8 Wochen zum Bezugsjahresende.<br />

Abonnement-/E<strong>in</strong>zelheftbestellung:<br />

DataM-Services GmbH, Leserservice <strong>atp</strong><br />

Herr Marcus Zepmeisel<br />

Franz-Horn-Str. 2, 97082 Würzburg<br />

Telefon + 49 (0) 931 417 04 59<br />

Telefax + 49 (0) 931 417 04 94<br />

leserservice@di-verlag.de<br />

Verantwortlich für den Anzeigenteil:<br />

Inge Spoerel<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 22<br />

E-Mail: spoerel@di-verlag.de<br />

Kirst<strong>in</strong> Sommer (Key Account)<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 36<br />

E-Mail: sommer@di-verlag.de<br />

Angelika We<strong>in</strong>garten (Key Account)<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 13<br />

E-Mail: we<strong>in</strong>garten@di-verlag.de<br />

Es gelten die Preise <strong>der</strong> Mediadaten 2014<br />

Anzeigenverwaltung:<br />

Brigitte Krawczyk<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 12<br />

E-Mail: krawczyk@di-verlag.de<br />

Art Direction / Layout:<br />

deivis aronaitis design | dad |<br />

Druck:<br />

Druckerei Chmielorz GmbH,<br />

Ostr<strong>in</strong>g 13,<br />

D-65205 Wiesbaden-Nordenstadt<br />

Gedruckt auf chlor- <strong>und</strong><br />

säurefreiem Papier.<br />

Die <strong>atp</strong> wurde 1959 als „Regelungstechnische<br />

Praxis – rtp“ gegründet.<br />

DIV Deutscher Industrieverlag<br />

GmbH München<br />

Die Zeitschrift <strong>und</strong> alle <strong>in</strong> ihr enthaltenen<br />

Beiträge <strong>und</strong> Abbildungen s<strong>in</strong>d urheberrechtlich<br />

geschützt. Mit Ausnahme <strong>der</strong> gesetzlich<br />

zugelassenen Fälle ist e<strong>in</strong>e Verwertung ohne<br />

E<strong>in</strong> willigung des Verlages strafbar.<br />

Gemäß unserer Verpflichtung nach § 8<br />

Abs. 3 PresseG i. V. m. Art. 2 Abs. 1c DVO<br />

zum BayPresseG geben wir die Inhaber<br />

<strong>und</strong> Beteiligungsverhältnisse am Verlag<br />

wie folgt an:<br />

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH,<br />

Arnulfstraße 124, D-80636 München.<br />

Alle<strong>in</strong>iger Gesellschafter des Verlages<br />

ist die ACM-Unternehmensgruppe,<br />

Ostr<strong>in</strong>g 13,<br />

D-65205 Wiesbaden-Nordenstadt.<br />

ISSN 2190-4111<br />

DIE AUSGABE 10 / 2014 DER<br />

ERSCHEINT AM 02.10.2014<br />

MIT DEM SCHWERPUNKT<br />

„MENSCH-PROZESS-KOMMUNIKATION“<br />

Zustandsüberwachung<br />

<strong>und</strong> Performanzprognose<br />

Energieorientierte<br />

Prozessbewertung<br />

<strong>und</strong> -führung<br />

Hochverfügbare<br />

Kommunikation für die<br />

<strong>in</strong>dustrielle Automation<br />

Anlagendiagnose <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />

<strong>in</strong>dustriellen Produktion<br />

Aus aktuellem Anlass können sich die Themen<br />

kurzfristig verän<strong>der</strong>n.<br />

LESERSERVICE<br />

E-MAIL:<br />

leserservice@di-verlag.de<br />

TELEFON:<br />

+ 49 (0) 931 417 04 59<br />

66<br />

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

9 / 2014


6. SIL-Sprechst<strong>und</strong>e<br />

Funktionale Sicherheit<br />

23. + 24.9.2014, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH<br />

www.sil-sprechst<strong>und</strong>e.de<br />

Irrtümer <strong>und</strong><br />

Missverständnisse<br />

Veranstaltungskonzept<br />

Term<strong>in</strong><br />

Ort<br />

Haben Sie Fragen zur Anwendung <strong>der</strong> Normen<br />

IEC 61508, IEC 61511 o<strong>der</strong> VDI/VDE 2180? S<strong>in</strong>d Sie<br />

gefor<strong>der</strong>t, die e<strong>in</strong>getretenen Pfade zur Erlangung <strong>der</strong><br />

Sicherheit zu verlassen? Dann s<strong>in</strong>d Sie hier richtig!<br />

Reichen Sie Ihre Fragen r<strong>und</strong> um SIL e<strong>in</strong>. Diskutieren<br />

Sie mit Experten über die aktuellen Themen <strong>der</strong><br />

Funktionalen Sicherheit am 23. <strong>und</strong> 24. September<br />

<strong>in</strong> Mannheim!<br />

Dienstag, 23.09.2014<br />

Veranstaltung (11:30 – 17:15 Uhr)<br />

„Get-Together“ (ab 18:00 Uhr)<br />

Mittwoch, 24.09.2014<br />

Veranstaltung (9:00 – 15:00 Uhr)<br />

Pepperl+Fuchs GmbH<br />

Lilienthalstr. 200<br />

68307 Mannheim<br />

Programm<br />

Vom Umgang mit SIL – Erfahrungen e<strong>in</strong>es<br />

Behördenvertreters<br />

Fallstricke bei <strong>der</strong> SIL-E<strong>in</strong>reichung –<br />

Beobachtungen e<strong>in</strong>er Prüfstelle<br />

Die meistgemachten Fehler <strong>in</strong> <strong>der</strong> funktionalen<br />

Sicherheit<br />

Richtige Mitbenutzung sicherheitstechnischer<br />

Komponenten für die Prozessleittechnik<br />

Korrelation zwischen funktionaler Sicherheit<br />

<strong>und</strong> IT-Security<br />

Ist SIL e<strong>in</strong>e Produkteigenschaft?<br />

Workshops<br />

Referenten<br />

Thomas Gabriel, Bayer Technology Services GmbH<br />

Dirk Hablawetz, BASF SE<br />

Mart<strong>in</strong> Herrmann, Infracor GmbH<br />

Andreas Hildebrandt, Pepperl+Fuchs GmbH<br />

Udo Hug, BImSchG ß 29a Sachverständiger<br />

Thomas Karte, Samson AG<br />

Josef Kuboth, Landesamt für Natur, Umwelt <strong>und</strong><br />

Verbraucherschutz Nordrhe<strong>in</strong>-Westfalen<br />

Bernd Schrörs, Bayer Technology Services<br />

Heiko Schween, HIMA Paul Hildebrandt GmbH + Co KG<br />

Peter Sieber, Bilf<strong>in</strong>ger alpha msr GmbH<br />

Johann Ströbl, TÜV SÜD Industrie Service GmbH<br />

Werner Brockschmidt, Tesium GmbH<br />

Teilnahmegebühren<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>-Abonnenten 540 € zzgl. MwSt.<br />

Firmenempfehlung 590 € zzgl. MwSt.<br />

reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt.<br />

Studenten<br />

kostenlos<br />

(Universität, Fachhochschule, Duale Hochschule – Vorlage des<br />

Studentenausweises bei <strong>der</strong> Anmeldung erfor<strong>der</strong>lich)<br />

Anmeldung<br />

Detaillierte Informationen zur Veranstaltung,<br />

das vollständige Programm sowie die Onl<strong>in</strong>e-<br />

Anmeldung f<strong>in</strong>den Sie im Internet unter<br />

www.sil-sprechst<strong>und</strong>e.de<br />

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH<br />

Kirst<strong>in</strong> Sommer<br />

Arnulfstraße 124<br />

80636 München<br />

Tel.: +49 (0) 89 203 53 66-24<br />

Fax: +49 (0) 89 203 53 66-99<br />

E-Mail: soerensen@di-verlag.de<br />

www.sil-sprechst<strong>und</strong>e.de<br />

Pepperl+Fuchs GmbH<br />

Dr. Andreas Hildebrandt<br />

Lilienthalstraße 200<br />

68307 Mannheim<br />

Tel.: +49 (0) 621 776-1454<br />

Fax: +49 (0) 621 776-1108<br />

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

www.pepperl-fuchs.de


Der wohl kle<strong>in</strong>ste<br />

Drucktransmitter <strong>der</strong> Welt.<br />

Kompensierte Drucktransmitter ab Durchmesser 11 mm mit hermetisch e<strong>in</strong>gebettetem Signalprozessor.<br />

Die e<strong>in</strong>malige Komb<strong>in</strong>ation aus kle<strong>in</strong>ster Baugrösse, Performance <strong>und</strong> Medienvertäglichkeit.<br />

Druckbereiche: 0,3…1000 bar / Genauigkeit: 0,15 %FS / Rostfreies Stahlgehäuse<br />

Analoge C-L<strong>in</strong>ie (Serie 4 LC…9 LC)<br />

- Analogausgang: 0,5…4,5 V ratiometrisch<br />

- 2 kHz Abtastrate<br />

- Betriebstemperaturbereich bis zu 150 °C<br />

- Geschützt bis ±33 V<br />

Digitale D-L<strong>in</strong>ie (Serie 4 LD…9 LD)<br />

- Digitale Schnittstelle: I 2 C<br />

- Ultra low power: 11 µW @ 1 SPS <strong>und</strong> 1,8 V<br />

- Bis zu 250 Samples/s<br />

- Druck- <strong>und</strong> Temperatur<strong>in</strong>formation<br />

www.keller-druck.com

Hurra! Ihre Datei wurde hochgeladen und ist bereit für die Veröffentlichung.

Erfolgreich gespeichert!

Leider ist etwas schief gelaufen!