atp edition Automatisierungssysteme mit Web-Technologien (Vorschau)

10 / 2014 

56. Jahrgang B3654 

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH 

Automatisierungstechnische Praxis 

Energieorientierte 

Prozessführung | 24 

Redundante Kommunikation 

für industrielle Automation | 32 

Zustandsüberwachung 

und Performanzprognose | 42 

Automatisierungssysteme mit 

Web-Technologien | 52

Erreichen Sie die Top-Entscheider 

der Automatisierungstechnik. 

Sprechen Sie uns an wegen Anzeigenbuchungen 

und Fragen zu Ihrer Planung. 

Inge Spoerel: Telefon +49 (0) 89 203 53 66-22 

E-Mail: spoerel@di-verlag.de

EDITORIAL 

Nicht nur, sondern auch! 

Wie lernen wir am schnellsten Prozessautomatisierung?“ fragten mich in 

den letzten Jahren immer wieder Hersteller von Automatisierungstechnik 

für die Fertigungsindustrie. Sie hatten realisiert, dass mit Automatisierung 

für die Prozessindustrien sehr gute Renditen zu erzielen sind und dieses 

Geschäft im Vergleich zu dem ihren deutlich stabiler – weil langfristiger 

– ist. Meine erste Antwort darauf war immer: „Kauft euch das Handbuch der 

Prozessautomatisierung und studiert es Seite für Seite, dann bekommt ihr 

Boden unter die Füße. Und dann abonniert dazu die atp edition und lest sie 

jeden Monat ebenfalls gründlich, um ganz aktuell zu sein. So habt ihr eine 

faire Chance, in einem Jahr einigermaßen zu verstehen, was Prozessautomatisierung 

(PA) wirklich heißt.“ 

Um ein PA-Profi zu werden reicht das allein natürlich nicht. Auch meinen 

Studierenden sage ich immer wieder: Lesen allein ersetzt nicht die eigenen 

Erfahrungen. Gespräche mit Anwendern in deren Betrieben, auf Messen und 

Kongressen – und auch mit den „Platzhirschen“ – sind enorm wichtig. Und 

vor allem: es selbst zu tun! Aber wer meinem obigen Rat folgt, schafft sich 

mindestens ein solides theoretisches, technisches und aktuelles Fundament 

für PA und kann die „richtigen“ Fragen stellen – das gilt durchaus auch für 

diejenigen, die glauben, über PA schon alles zu wissen... 

Dumm nur, dass seit einem Jahr die vierte Auflage des Handbuch der 

Prozessautomatisierung vergriffen ist und eine fünfte nur angekündigt. Zwar 

könnten sich Newcomer einige Zeit lang mit der atp edition behelfen; allerdings 

wird hier stabiles Grundlagenwissen meist vorausgesetzt. Aber auch 

die „alten Hasen“ der PA, bei denen das „Handbuch“ selbstverständlich in 

Griffweite steht, finden oft in der 4. Auflage keine befriedigenden Antworten 

mehr – einfach weil sich seit deren Erscheinen in 2009 die PA stürmisch 

weiterentwickelt hat. Man schaue sich nur die Hauptbeiträge dieses Heftes 

der atp edition an und versuche sich zu erinnern, wie vor fünf Jahren der 

Stand der Technik war bei den „Automatisierungssystemen im Web“ oder 

der „Performanzprognose“, um nur zwei Beispiele herauszugreifen. 

Doch es gibt Hoffnung! Noch in diesem Jahr wird die 5. Auflage des Handbuch 

der Prozessautomatisierung verfügbar sein! Viele neue Erkenntnisse 

und Lösungen, die in den letzten Jahren auch in der atp edition vorgestellt 

wurden, sind von den 48 alten und neuen Autoren des Handbuchs in die 

neuen oder überarbeiteten Beiträge eingearbeitet. Aktuell und authentisch 

wird so die gesamte Breite und Tiefe von Theorie und Praxis der PA abgedeckt 

– es gibt derzeit kein vergleichbares deutsches Standardwerk für unser 

Fachgebiet! 

Das Schönste zum Schluss: Wie die atp edition gibt es nun auch die Neuauflage 

des Handbuchs als eBook, was die Stichwortsuche und die Aktualisierung 

richtig komfortabel macht. Lassen Sie sich überraschen! 

DIPL.-ING. 

DIETER SCHAUDEL, 

Gründer und Inhaber 

SCHAUDELconsult Freiburg 

atp edition 

10 / 2014 

3

INHALT 10 / 2014 

FORSCHUNG 

6 | VDE und DVGW wollen gemeinsame Forschung 

beim Thema Energiewende vorantreiben 

Call for atp experts: Safety und Security 

7 | Automatisierungsvereinigung Ifac ehrt Professor 

Klaus Schilling mit Outstanding Service Award 

VERBAND 

8 | Sechste Konferenz der Namur in China – 

Arbeitskreise stellen aktuelle Ergebnisse vor 

AMA-Kongresse: Poster und Vorträge gesucht 

VDE: Mikroelektronik muss gestärkt werden 

9 | Neue GMA-Ausschüsse zu Industrie 4.0 

BRANCHE 

10 | Aus Fieldbus und Hart wird die FieldComm Group, 

Hans-Georg Kumpfmüller erster Vorstandschef 

Mensch und Roboter rücken näher zusammen 

11 | Gute Zahlen für Sensorik und Messtechnik – 

Branche will von Industrie 4.0 profitieren 

HMI-Gestaltung für Touchscreens optimieren 

Industrie 4.0: Glossar klärt wichtige Begriffe 

RUBRIKEN 

3 | Editorial 

62 | Produkt & Unternehmen 

66 | Impressum, Vorschau 

4 


10 / 2014

PRAXIS 

12 | Wickelautomaten mit neuem Remote 

I/O-Konzept verbessern automatisierte 

Zeitungensverarbeitung 

14 | Die richtige Information, zur richtigen 

Zeit, am richtigen Ort = höhere Effizienz 

18 | Präzisionssensorik lässt sich auch von 

zerknitterten Barcodes auf Säcken mit 

Bio-Stärke nicht täuschen 

20 | Maßgeschneiderte Systemboards erlauben 

schnelle Anbindung von Feldsignalen in 

großen Anlagen 

22 | Big Data für Industrie 4.0 – größter 

Demonstrator zeigt Optimierungspotenziale 

für die Unternehmen 

Produkte, 

Systeme 

und Service 

für die 

Prozessindustrie? 

Natürlich. 

HAUPTBEITRÄGE 

24 | Energieorientierte Prozessführung 

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

32 | Redundante Kommunikation für 

industrielle Automation 

H. FLATT, J. JASPERNEITE UND J. RAUCHFUSS 

42 | Zustandsüberwachung 

und Performanzprognose 

M. KRÜGER, T. JEINSCH, P. ENGEL, S. X. DING UND A. HAGHANI 

52 | Automatisierungssysteme mit 

Web-Technologien 

R. LANGMANN 

System 800xA 5.1 hilft Anlagen 

noch effizienter zu betreiben und 

die Produktivität und Rentabilität 

zu verbessern. Dies wird durch 

gesteigerte Bediener-Effizienz, 

optimiertes Handling bei Batch- 

Produktion, effizientere Sequenzkonfiguration, 

verbesserte 

Asset-Verwendung und optimierte 

Engineering Best Practices erreicht. 

Wünschen Sie sich auch so eine 

effiziente Anlagenbedienung? 

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Instrumentierung, herausragende 

Produkte und Lösungen für die 

Analysentechnik sowie erstklassigen 

Service bietet? Lesen Sie mehr unter: 

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ABB Automation GmbH 

Tel.: +49 (0) 1805 26 67 76 

marketing.control-products@de.abb.com

FORSCHUNG 

VDE und DVGW wollen gemeinsame Forschung 

beim Thema Energiewende vorantreiben 

ENGERE ZUSAMMENARBEIT VEREINBART: Dr. Hans Heinz 

Zimmer, VDE-Vorstandsvorsitzender, Dr. Joachim Schneider, 

VDE-Präsident, DVGW-Präsident Dietmar Bückemeyer und 

DVGW-Hauptgeschäftsführer Prof. Dr. Gerald Linke (von links 

nach rechts) bei der Unterzeichnung des Memorandums of 

Understanding. Bild: RWE/Jörg Mettlach 

Die Präsidenten des Deutschen Vereins des Gas- und 

Wasserfaches (DVGW) und des Verbands der Elektrotechnik 

Elektronik und Informationstechnik (VDE), 

Dietmar Bückemeyer und Dr. Joachim Schneider, haben 

in Essen ein Memorandum of Understanding unterzeichnet. 

Ziel der Grundsatzvereinbarung, die auch 

von DVGW-Hauptgeschäftsführer Prof. Dr. Gerald Linke 

und dem VDE-Vorstandsvorsitzenden Dr. Hans 

Heinz Zimmer mitunterzeichnet wurde, ist die Förderung 

der Zusammenarbeit zwischen DVGW und VDE 

auf dem Gebiet der Forschung und Studienerstellung 

im Themenfeld „Energieversorgungssystem im Kontext 

der Energiewende“. Neben der bereits bestehenden, erfolgreichen 

Kooperation zwischen DVGW und dem 

Forum Netztechnik Netzbetrieb im VDE (VDE|FNN) im 

Rahmen der technischen Regelsetzung soll auch mit 

der Energietechnischen Gesellschaft im VDE 

(VDE|ETG) die Zusammenarbeit im Bereich Forschung 

und Entwicklung gestärkt werden. 

„Dies ist ein klares Signal von DVGW und VDE, dass 

es in der Zusammenarbeit der beiden Sparten Gas und 

Strom noch weitere Synergien gibt. Diese Synergiepotenziale 

sollen systematisch erschlossen werden. Ziel 

ist es, durch die Konvergenz der Gas- und Stromnetze 

eine noch höhere spartenübergreifende Effizienz zu erzielen 

– bei gleichbleibend hoher Qualität und garantierter 

Sicherheit“, erklärte VDE-Präsident Dr. Joachim 

Schneider. Der Brückenschlag zwischen Gas- und 

Strom infrastruktur sei eine der wichtigsten Herausforderungen 

der Energiewende. „In Zukunft werden neben 

der Power-to-Gas-Technologie sowohl flexible Gaskraftwerke 

als auch innovative, gasbasierte Speichertechnologien 

oder mehr dezentrale Anlagen der Kraft-Wärme- 

Kopplung immer dringender benötigt. Nur so können 

wir das schwankende Angebot aus erneuerbaren Ressourcen 

wie Sonnen- und Windkraft langfristig und in 

großem Maßstab speichern und nutzen“, betonte DVGW- 

Präsident Dietmar Bückemeyer. 

(gz) 

VDE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK 

INFORMATIONSTECHNIK E.V., 

Stresemannallee 15, 

D-60596 Frankfurt am Main, 

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

Call for atp experts: Safety und Security 

IN AUSGABE 57(4) DER ATP EDITION i m 

April 2015 diskutiert die atp edition das 

Thema Safety und Security. Mit dem gestiegenen 

Risiko des Angriffs auf Automatisierungssysteme 

der Prozess- und 

Fertigungsindustrie ist auch die Security 

für Safety-kritische und Nicht-Safetykritische 

Anwendungen ein Thema geworden. 

Safety- und Security-Maßnahmen 

verwenden verschiedene Methoden 

für ihre verschiedenen Ziele, und ihre 

Interaktion kann zu Wechselwirkungen 

führen. Ob und wie diese methodisch behandelt 

werden müssen, soll Inhalt der 

Beiträge für atp edition 57(4) sein. 

Wir bitten Sie, bis zum 2. Dezember 

2014 zu diesem Themenschwerpunkt 

einen gemäß der Autorenrichtlinien der 

atp edition ausgearbeiteten Hauptbeitrag 

per E-Mail an urbas@di-verlag.de 

einzureichen. 

Die atp edition ist die hochwertige Monatspublikation 

für Fach- und Führungskräfte 

der Automatisierungsbranche. 

In den Hauptbeiträgen werden 

die Themen mit hohem wissenschaftlichem 

und technischem Anspruch und 

vergleichsweise abstrakt dargestellt. 

Im Journalteil werden praxisnahe Erfahrungen 

von Anwendern mit neuen 

Technologien, Prozessen oder Produkten 

beschrieben. 

Alle Beiträge werden von einem Fachgremium 

begutachtet. Sollten Sie sich 

selbst aktiv an dem Begutachtungsprozess 

beteiligen wollen, bitten wir um 

kurze Rückmeldung. Für weitere Rückfragen 

stehen wir Ihnen selbstverständlich 

gerne zur Verfügung. 

Redaktion atp edition 

Leon Urbas, Markus Hofelich 

CALL FOR 

Aufruf zur Beitragseinreichung 

Thema: Safety und Security 

Kontakt: urbas@di-verlag.de 

Termin: 02. Dezember 2014 

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10 / 2014

Automatisierungsvereinigung Ifac ehrt Professor 

Klaus Schilling mit Outstanding Service Award 

Für sein großes Engagement für die International 

Federation on Automatic Control (Ifac) wurde 

Klaus Schilling von der Fachvereinigung ausgezeichnet. 

Der Würzburger Professor erhielt den Ifac 

Outstanding Service Award beim Ifac-Weltkongress, 

der Ende August mit mehr als 2000 Teilnehmern in 

Südafrika stattfand. IFAC-Präsident Professor Ian 

Craig überreichte die Auszeichnung. 

Schilling, Inhaber des Lehrstuhls für Informatik VII 

(Robotik und Telematik) an der Uni Würzburg, führte 

mit seinem Team unter anderem sehr erfolgreich zwei 

internationale Ifac-Konferenzen durch. Auch saß er den 

Ifac Technical Committees für Aerospace und Telematics 

vor. Die Ifac-Zeitschrift „Control Engineering Practice“ 

unterstützte er lange als Associate Editor. 

Seit 2014 verantwortet Schilling als Ifac-Koordinator 

den gesamten Bereich „Computer & Control“. Dazu 

zählen Software- als auch Hardware-Systeme sowie 

Telematikmethoden für die Automatisierung, und er 

reicht von Mikroprozessoren bis zu Systemen der 

künstlichen Intelligenz. Die Ifac gilt als führende 

weltweite Fachvereinigung für die Automatisierungsund 

Regelungstechnik. Ihre Tätigkeitsfelder umfassen 

die Theorie-Grundlagen und ein sehr breites Spek- 

trum von Anwendungsfeldern der Automatisierungswissenschaften. 

(gz) 

JULIUS-MAXIMILIANS-UNIVERSITÄT WÜRZBURG, 

Lehrstuhl für Informatik VII, Am Hubland, 

D-97074 Würzburg, Tel. +49 (0) 931 318 66 78, 

Internet: www.uni-wuerzburg.de 

AUSZEICHNUNG 

IN KAPSTADT: 

IFAC-Präsident 

Ian Craig ehrt 

Klaus Schilling 

(links) in Kapstadt 

mit dem Ifac 

Outstanding 

Service Award. 

Foto: Ifac 

E I N L A D U N G 

Messtechnik Regeltechnik Steuerungstechnik Prozessleitsysteme 

Mittwoch, 05. November 2014 

8:00 bis 16:00 Uhr 

Ruhrcongress Bochum 

Stadionring 20 

44791 Bochum 

Führende Fachfirmen der Branche präsentieren ihre Geräte und Systeme und 

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

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

sowie der Prozessautomation tätig sind. 

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

sind für die Besucher kostenlos. 

Weitere Informationen finden Interessierte auf unserer Internetseite. 

www.meorga.de 

info@meorga.de 

MEORGA GmbH 

Sportplatzstraße 27 

66809 Nalbach 

Tel. 06838 / 8960035 

Fax 06838 / 983292 


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VERBAND 

Sechste Konferenz der Namur in China – 

Arbeitskreise stellen aktuelle Ergebnisse vor 

Kurz nach der Namur-Hauptsitzung am 6. und 7. November 

in Bad Neuenahr findet die sechste Namur- 

Konferenz in China statt. Dort, am 19. und 20. November 

in Shanghai, werden unter anderem Resultate der chinesischen 

Namur-Arbeitskreise vorgestellt. Die sieben 

Arbeitskreise haben weiter an Themen gearbeitet, die 

bei den Tagungen in den vergangenen Jahren als besonders 

interessant identifiziert wurden. 

Der diesjährige Sponsor Siemens wird mit interessanten 

Konferenzbeiträgen und einer Ausstellung das 

Programm ergänzen. So stehen Präsentationen über ver- 

fügbare Lösungen und mögliche zukünftige Entwicklungen 

auf dem Programm. Siemens hatte schon die 

Namur-Hauptsitzung in Bad Neuenahr 2013 gesponsert. 

Die chinesische Namur-Konferenz ist seit ihrer Gründung 

im Jahr 2009 stetig gewachsen. 2013 verzeichnete 

sie zirka 150 Teilnehmer. 

(gz) 

NAMUR-GESCHÄFTSSTELLE, 

C/O BAYER TECHNOLOGY SERVICES GMBH, 

Gebäude K 9, D-51368 Leverkusen, 

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

NAMUR IN CHINA: 

Etwa 150 Teilnehmer 

wurden 2013 gezählt. 

AMA-Kongresse: Poster und Vorträge gesucht 

Der AMA Fachverband für Sensorik bittet um Beiträge 

für die beiden AMA-Kongresse Sensor und IRS² 

im Jahr 2015. Beide finden parallel zur Messe Sensor+Test 

vom 19. bis 21. Mai in Nürnberg statt. Interessierte Autoren 

bittet der Verband, Abstracts der Vorträge oder 

Poster bis zum 17. Oktober 2014 einzureichen. Informationen 

zu den Themenschwerpunkten und zur Dokumentvorlage 

sind zu finden unter www.ama-science. 

org/direct/call-for-papers. Die AMA-Kongresse Sensor 

und IRS² gelten als Vernetzungsplattform, die ein inter- 

nationales Fachpublikum ansprechen und Einblicke in 

neueste Forschungsergebnisse aus unterschiedlichen 

Disziplinen ermöglichen. AMA verbindet dabei Innovatoren 

aus Forschung und Entwicklung, aus Wissenschaft 

und Industrie. 

(gz) 

AMA FACHVERBAND FÜR SENSORIK E.V., 

Sophie-Charlotten-Str. 15, D-14059 Berlin, 

Tel. +49 (0) 30 221 90 36 20, 

Internet: www.ama-sensorik.de 

VDE: Mikroelektronik muss gestärkt werden 

Ob Deutschland bei der Entwicklung von Industrie 

4.0 weltweit vorne liegen wird, hängt nach Einschätzung 

des VDE vor allem von der Verfügbarkeit 

mikroelektronischer Bausteine und Systeme aus heimischer 

Produktion ab. Deshalb verlangt der VDE, 

dass Bundesregierung und EU die Voraussetzungen 

dafür verbessern und optimale Bedingungen schaffen, 

dass deutsche und europäische Industrie- und Innovationspolitik 

Hand in Hand greifen. Dazu eigne sich 

das neue europäische Innovationsprogramm ECSEL 

(Electronic Components and Systems for European 

Leadership) innerhalb von Horizon 2020. Erforderlich 

sei die Unterstützung, da sich die Mikroelektronik in 

Deutschland gegen die stark subventionierte Konkurrenz 

aus Amerika und Fernost behaupten müsse. 

Deutschland könne Leitanbieter für intelligente Produktionstechnologien 

und Leitmarkt für CPS-Technologien 

und -Produkte werden – allerdings nur, wenn die 

Mikroelektronik als ,Key Enabler‘ am Standort Deutschland/Europa 

entlang der gesamten Innovations- und 

Wertschöpfungskette gestärkt werde, die Unternehmen 

optimale Bedingungen vorfänden und durch gezielte 

Maßnahmen gefördert würden, so wie es asiatische Länder 

und die USA mit ihrer einheimischen Produktion 

handhabten. 

(gz) 

VDE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK 

INFORMATIONSTECHNIK E.V., 

Stresemannallee 15, D-60596 Frankfurt am Main, 

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

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10 / 2014

Neue GMA-Ausschüsse 

zu Industrie 4.0 

Die Zukunft von Industrie 4.0 hängt neben 

technologischen Innovationen entscheidend 

von der Entwicklung passender und neuartiger 

Geschäftsmodelle sowie einer konsistenten 

Schaffung von Arbeitsumfeldern und stimmigen 

Aus- und Weiterbildungskonzepten ab. 

Erkenntnisse und Fortschritte aller drei Felder 

– Technologie, Businessmodell und Arbeitsumfeld 

– beeinflussen sich gegenseitig. Wissenschaftler 

wie Entscheider in Unternehmen müssen 

sich ihres enormen Einflusses und ihrer 

Verantwortung für unsere Zukunft bewusst 

werden, betont die VDI/VDE-Gesellschaft Messund 

Automatisierungstechnik (GMA). Das will 

die GMA mit zwei neuen Fachausschüssen zur 

Zukunft der Arbeit und zu Geschäftsmodellen 

unterstützen und mit allen Interessensgruppen 

gemeinsam am Projekt Industrie 4.0 arbeiten. 

Am 26. September hat sich der neue Fachausschuss 

mit dem Arbeitstitel „Businessmodelle“ 

konstituiert, um die Geschäftsmodellentwicklung 

für Industrie 4.0 voranzutreiben. Der neue 

Fachausschuss mit dem Arbeitstitel „Zukunft 

der Arbeit“ wird sich am 31. Oktober gründen. 

Die beiden Gremien wurden initiiert von Prof. 

Frank T. Piller (TIM, RWTH Aachen, Thema: 

Businessmodelle) und Prof. Wilhelm Bauer 

(Fraunhofer IAO, Thema: Zukunft der Arbeit). 

Die GMA betont, es müssten viele Fragen geklärt 

werden, um in Deutschland nicht nur 

technologisch Spitzenreiter zu bleiben, sondern 

Industrie 4.0 in die Gesellschaft zu integrieren 

und einen möglichst großen menschlichen wie 

wirtschaftlichen Benefit zu erreichen. Es gelte 

herauszufinden, welche Geschäftsmodelle sich 

für Unternehmen in Deutschland ableiten lassen 

und wie eine optimale Geschäftsmodellentwicklung 

für den deutschen Mittelstand aussehen 

kann, um die globale Wettbewerbsfähigkeit 

zu erhalten und auszubauen. Über die Geschäftsmodelle 

hinaus müssten alle Interessengruppen 

gemeinsam daran arbeiten, die Möglichkeiten 

von Industrie 4.0 mit Blick auf die 

Organisation der Arbeit für KMUs und Global 

Player, für Arbeitgeber wie Arbeitnehmer zu 

erfassen und zu nutzen. 

Interessenten, die in den Ausschüssen mitarbeiten 

möchten oder Anregungen zu den Inhalten 

geben möchten, können sich direkt an die 

GMA-Geschäftsführerin Dr.-Ing. Dagmar Dirzus 

wenden. 

(gz) 

VDI/VDE-GESELLSCHAFT MESS- UND 

AUTOMATISIERUNGSTECHNIK (GMA) 

VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE E.V., 

VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf, 

Tel. +49 (0) 211 621 40, 

Internet: www.vdi.de 


10 / 2014 

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BRANCHE 

Aus Fieldbus und Hart wird die FieldComm Group, 

Hans-Georg Kumpfmüller erster Vorstandschef 

Die Mitglieder der Hart Communication 

Foundation und der Fieldbus 

Foundation haben dem Zusammenschluss 

beider Vereinigungen zur Field- 

Comm Group zugestimmt. Damit folgten 

sie dem Vorschlag der Fieldbus- und 

Hart-Vorstände und taten den letzten 

Schritt zur Vereinigung. 

Die neue Organisation, FieldComm 

ZUM ERSTEN Group entsteht zum 1. Januar 2015 und 

VORSTANDSVOR- wird von einem Vorstand geleitet, der 

SITZENDEN der sich aus Vertretern der Unternehmen zusammensetzt, 

die in den derzeitigen Vor- 

FieldComm Group 

gewählt: Hans-Georg 

Kumpfmüller. sind. Hans-Georg Kumpfmüller wurde 

ständen der beiden Stiftungen vertreten 

als erster Vorsitzender des Vorstands gewählt. 

Er wird zudem der Einbindung 

von FDI LLC Mitte 2015 vorstehen. 

Kumpfmüller hat in seiner Funktion als Vorsitzender 

des FDI LLC-Vorstandes und CEO von Sensors and 

Communication bei Siemens maßgeblich die Richtung 

der Geräteintegration bestimmt. Er ist überzeugt, dass 

die Gründung der FieldComm Group „einen großen 

Schritt nach vorne für die Verarbeitungsindustrie darstellt, 

indem er die Nutzung der Stärken eines jeden in 

der Branche führenden Protokolls ermöglicht und da- 

rüber hinaus den Wert der Integrationsstrategie der 

nächsten Generation hinzufügt“. 

Der Vorstand hat zudem Ted Masters zum Präsidenten 

und CEO der FieldComm Group ernannt. Er ist zurzeit 

in der gleichen Funktion bei der Hart Communication 

Foundation tätig. Masters sieht in der Gründung von 

FieldComm Group eine noch nie dagewesene Gelegenheit 

zum Ausbau bestehender Technologien und zur 

Entwicklung einer einheitlichen Zukunftsvision für die 

Harmonisierung von Normen in der Prozessautomatisierung 

weltweit. 

In der Übergangs- und Integrationsphase der beiden 

Organisationen wird Richard J. Timoney – aktuell 

Präsident und CEO der Fieldbus Foundation – als geschäftsführender 

Vizepräsident der FieldComm Group 

fungieren. 

Die Hauptgeschäftsstelle von FieldComm Group wird 

sich in Austin, Texas, befinden und vom 1. Januar 2015 

an eine Einheit darstellen. Bis dahin werden die Hart 

Communication Foundation und die Fieldbus Foundation 

weiterhin unabhängig voneinander arbeiten. (gz) 

FIELDBUS FOUNDATION, 

9005 Mountain Ridge Drive, Bowie Bldg – Suite 200, 

Austin, TX 78759-5316, USA, 

Tel. +1 (0) 512 794 88 90, Internet: www.fieldbus.org 

Mensch und Roboter rücken näher zusammen 

Bislang arbeiten sie meist durch Gitter getrennt – in 

Zukunft sollen Roboter und Mensch Seite an Seite 

in der Industrie stehen. Mit diesem Trend befasst sich 

die VDI-Fachkonferenz „Assistenzroboter in der Produktion“ 

am 10. und 11. Dezember 2014 in Frankfurt. 

MENSCH-ROBOTER-KOOPERATION: Diesem Thema 

widmet sich die VDI-Fachkonferenz „Assistenzroboter in 

der Produktion“. Bild: Kellenberger Kaminski Photographie 

Dort diskutieren Experten die Möglichkeiten und 

Chancen der Servicerobotik. 

Leiter der Tagung ist Prof. Dr. Hans Wernher van de 

Venn von der Züricher Hochschule für Angewandte 

Wissenschaften und Gewinner des Robotic Award 2013 

der Hannover Messe mit seinem System für eine sichere 

Mensch-Roboter-Interaktion. „Die direkte Interaktion 

zwischen Mensch und Roboter wird aufgrund ihrer 

hohen Flexibilität in Zukunft immer wichtiger werden“, 

so van de Venn. Vorgestellt wird bei der Tagung 

auch der erste von der Berufsgenossenschaft zugelassene 

Roboter in Deutschland. Der automatische Produktionsassistent 

APAS zeigt mit welchen Technologien 

die zukünftige Industrie 4.0 arbeiten könnte. 

Vortragen werden bei der Tagung unter anderem Referenten 

von Audi, Bosch, MRK-Systeme, Kuka Systems 

und Festo. Am Tag vor und nach der Veranstaltung finden 

zwei Spezialveranstaltungen zu den Themen 

„Mensch, Roboter & Sicherheit“ sowie „Robotik in Betreuung 

und Gesundheitsversorgung“ statt. Das Programm 

der Tagung und die Anmeldeunterlagen sind 

zu finden unter: www.vdi.de/assistenzroboter (gz) 

VDI WISSENSFORUM GMBH, 


Tel. +49 (0) 211 621 42 01, 

Internet: www.vdi-wissensforum.de 

10 


10 / 2014

Gute Zahlen für Sensorik und Messtechnik – 

Branche will von Industrie 4.0 profitieren 

Die Branche Sensorik und Messtechnik geht von weiter 

wachsenden Umsätzen aus. Nachdem im ersten 

Quartal ein Plus von sieben Prozent erreicht wurde, 

flachte das Wachstum von April bis Juni zwar auf zwei 

Prozent ab. Die Auftragseingänge wuchsen noch um 

ein Prozent, wie die regelmäßige Umfrage des AMA 

Verband für Sensorik und Messtechnik bei seinen 480 

Mitgliedern ergab. Aber Thomas Simmons, AMA Geschäftsführer, 

kommentiert die Energebnisse. „Wir sind 

auch für das restliche Jahr zuversichtlich gestimmt und 

glauben, dass unsere Branche weiter wachsen wird. Die 

derzeit viel diskutierte Industrie 4.0 nimmt langsam 

Fahrt auf. Die Fertigung wird immer dynamischer, die 

Automatisierung anspruchsvoller und Sensoren und 

Sensorsysteme ermöglichen der Industrie, immer intelligentere 

Lösungen in der Fertigung einzusetzen.“Die 

überwiegend mittelständisch geprägte Branche plant 

für das laufende Jahr pro 1000 Arbeitsplätze zwölf 

neue Ingenieur einzustellen. 

(gz) 

Quelle: AMA Verband 

für Sensortechnik und Messtechnik 

3. Quartal 2008 = 100% 

WEITER 

AUFWÄRTS: 

Die Sensorikund 

Messtechnikbranche 

erwartet einen 

weiteren 

Umsatzanstieg. 

AMA FACHVERBAND FÜR SENSORIK E.V., 

Sophie-Charlotten-Str. 15, D-14059 Berlin, 

Tel. +49 (0) 30 221 90 36 20, Internet: www.ama-sensorik.de 

HMI-Gestaltung für Touchscreens optimieren 

Das nun als Entwurf erschienene Richtlinienblatt 

VDI/VDE 3850 Blatt 3 soll Entwickler von Bedienoberflächen 

bei der Gestaltung eines Touchscreen-spezifischen 

Dialoges für stationäre Einsätze unterstützen 

und ihnen gleichzeitig genügend gestalterische Freiräume 

lassen. Ein künftiges Blatt der Richtlinie soll 

mobil eingesetzte Touchscreen-Systeme behandeln. 

Die Richtlinie ist anzuwenden bei der Touchscreenspezifischen 

Dialoggestaltung für technische Anlagen 

im industriellen Einsatz. Der Schwerpunkt der Gestaltungsempfehlungen 

liegt auf der Benutzung des Touchscreens 

mit Fingern; die Benutzung mit anderen Berüh- 

relementen ist abhängig von der jeweiligen Hardware 

möglich. Sicherheitsrelevante Funktionen werden 

nicht betrachtet, da diese zurzeit für Touch-Systeme 

kaum zugelassen werden. Einsprüche zum Richtlinienentwurf 

können bis 31.Dezember eingereicht werden: 

http://go.vdi-online.de/gui/einspruch_liste.php (gz) 





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

Industrie 4.0: Glossar klärt wichtige Begriffe 

Diskussionen über Industrie 4.0 sind anfällig für 

Missverständnisse, weil bei weitem noch nicht alle 

Begriffe eindeutig definiert sind. Daher erstellt eine 

Arbeitsgruppe des GMA-Fachausschusses „Industrie 

4.0“ ein Glossar zu diesem Thema. Erste Definitionen 

hat die Arbeitsgruppe nun veröffentlich (www.iosb. 

fraunhofer.de/?BegriffeI40), weitere sind in Arbeit. 

Erforderlich ist die Klarstellung, da im Umfeld von Industrie 

4.0 Begrifflichkeiten und Konzepte aus unterschiedlichen 

Domänen aufgegriffen werden (etwa aus dem 

IKT-Bereich die Orchestrierung von Diensten in einer 

service-orientierten Umgebung). Manche Begriffe sind 

aber in den beteiligten Domänen unterschiedlich besetzt 

(etwa Service (Dienst) im IKT-Bereich gegenüber der Produktion). 

Andere Begriffe sind sogar innerhalb einer Domäne 

mehrdeutig oder unpräzise (etwa Komponente). 

Diese sprachlichen und konzeptionellen Unterschiede 

und Ungenauigkeiten, sowie der Bedarf nach Erklärungen 

zu „fachfremden Konzepten“ sind ein Hindernis in der 

Entwicklung übergreifender komplexer technischer Lösungen 

für Industrie 4.0 und in der Normung. 

Das Glossar soll nun eine gemeinsame Basis für die Begrifflichkeiten 

schaffen, die die unterschiedlichen Sichtweisen 

und Anforderungen berücksichtigt. Dies soll die 

Zusammenarbeit über Unternehmens- und Branchengrenzen 

hinweg erleichtern. 

(gz) 





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


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PRAXIS 

Wickelautomaten mit neuem Remote I/O-Konzept 

verbessern automatisierte Zeitungensverarbeitung 

Ferag AG realisierte beim Redesign mit u-remote eine hochproduktive, ausfallsichere Lösung 

PLATZSPAREND: Aufgrund der Modulbreite 

von nur 11,5 mm und der hohen Kanaldichte 

ist das u-remote-System sehr platzsparend 

zu verbauen, was besonders in dezentralen 

Schaltkästen Vorteile bietet. 

SOBALD DER LEERE 

DISC TRÄGER in die 

Wickelstation 

einfährt, startet 

ohne manuelles 

Zutun der Prozess 

des Aufwickelns. 

Volle Träger werden 

automatisch 

abgedockt und 

können mit einem 

Shuttle herausgenommen 

werden. 

EINER FÜR ALLE FORMATE: Wickelautomaten 

kommen beispielsweise als 

dynamische Puffer zwischen Druckmaschinen 

und Versandraum oder als 

Zwischenspeicher für Vordrucke und 

Beilagen zum Einsatz. Sie arbeiten 

mit sämtlichen Formate, ohne dass 

Umstellungen bei sich ändernden 

Produktlängen erforderlich sind. 

Zeitungen und Zeitschriften müssen nicht nur gedruckt, 

sondern auch verteilt werden. Mit Förderund 

intelligenten Weiterverarbeitungssystemen für die 

Branche leistet die schweizerische Ferag AG dazu einen 

entscheidenden Beitrag. Um bei der Automatisierung 

hohe Performance und maximale Stabilität der Abläufe 

zu erreichen, setzt Ferag auf das Remote-I/O-Konzept 

„u-remote“ von Weidmüller. 

Als globaler Spezialist für intelligente Weiterverarbeitungssysteme 

für die Zeitungs- und Zeitschriftenproduktion 

widmet die weltweit führende Ferag AG 

ihre Lösungen durchgängig einer Idee: die Transportstrecken 

zwischen Druckmaschine und Paketversand 

möglichst produktiv zu gestalten. 

Ein wesentlicher Bestandteil der effizienten Zeitungsverarbeitung 

ist das zeitweise Aufwickeln der 

Printprodukte auf raumsparende Zwischenspeicher, 

die sogenannten MultiDiscs. Dieses System bietet eine 

Lösung für sämtliche Formate, ohne dass Umstellungen 

bei sich ändernden Produktlängen erforderlich sind. 

Sobald der leere DiscTräger in die Wickelstation einfährt, 

startet ohne manuelles Zutun der Prozess des 

Aufwickelns. Volle Träger werden automatisch abgedockt 

und können mit einem Shuttle herausgenommen 

werden. Mit diesen Eigenschaften dient der mobile 

Träger beispielsweise dem nahtlosen Produkttransport 

zwischen verschiedenen Produktionszentren. 

LEISTUNGSSTARKE AUTOMATISIERUNG GEFORDERT 

Zur fließenden Eingliederung des Aufwickelprozesses 

in die weiteren Verarbeitungsschritte ist eine präzise 

Vernetzung der einzelnen Teilsysteme gefordert. Den 

Schlüssel hierzu stellt eine leistungsstarke Automatisierung 

dar, die den zuverlässigen Anlagenbetrieb ermöglicht. 

Um die Automatisierungsaufgaben rund um 

ihre Systeme möglichst effizient zu meistern, setzt 

Ferag hierbei auf Lösungen, die performante Technologien 

mit hoher Produktivität verbinden. 

„Da wir im Serienmaschinenbau tätig sind, müssen 

sich die von uns eingesetzten Lösungen nicht nur im 

Einzelfall bewähren, sondern fortdauernd – sowohl in 

unseren eigenen Prozessen als auch im Betrieb bei un- 

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10 / 2014

seren Kunden. Entsprechend legen wir bei der Auswahl 

jeder Komponente doppelt hohe Maßstäbe an“, erklärt 

Stefan Sutter, Leiter Softwareentwicklung MC, den Anspruch 

von Ferag. „Beim Redesign unseres Wickelautomaten 

MTD10 war unser Ziel, ein hochproduktives, 

ausfallsicheres System zu schaffen. Nach eingehender 

Prüfung verschiedener Remote I/O-Varianten ist unsere 

Wahl auf das System von Weidmüller gefallen, das 

mit seinen Eigenschaften optimal unseren Anspruch 

an eine leistungsstarke Automatisierung unterstützt.“ 

EINFACHE ANALYSEN VIA WEBSERVER 

Mit u-remote bietet Weidmüller ein vollkommen neues 

und anwenderorientiertes Remote I/O-System an. Es 

zeichnet sich durch eine steckbare Anschlussebene, hohe 

Packungsdichte sowie beste Performance aus und steht 

für hohe Effizienz und Produktivität. Der integrierte Web- 

Server vereinfacht Inbetriebnahme und beschleunigt 

Wartungsarbeiten. Er lässt Simulationen von Eingängen 

und Forcen von Ausgängen zu, ohne dass das System mit 

der Steuerung verbunden sein muss. So können Maschinenmodule 

bereits in früheren Installationsphasen getestet 

werden. Außerdem sind mit Hilfe des u-remote-Webservers 

auch einfache Analysen bei der Systemwartung 

möglich für den Fall, dass in der Steuerung keine Klartext-Ausgaben 

für Fehlermeldungen hinterlegt wurden. 

Die Wickelautomaten kommen als modularer Bestandteil 

in verschiedenen Teilbereichen einer Ferag- 

Anlage zum Einsatz, beispielsweise als dynamischer 

Puffer zwischen Druckmaschinen und Versandraum 

oder als Zwischenspeicher für Vordrucke und Beilagen, 

welche erst später verarbeitet werden. Zur dezentralen 

Ansteuerung ist jeder MTD10-Automat mit einer u-remote-Station 

versehen, die über EtherCAT an die übergeordnete 

Steuerung angeschlossen ist. In der Systemauslegung 

hat Ferag insbesondere die Kompaktheit des 

praxisnahen Remote I/O-Konzepts überzeugt. u-remote 

spart dank der hohen Kanaldichte und seiner schmalen 

Bauform von nur 11,5 mm Modulbreite Platz und bietet 

flexible Gestaltungsmöglichkeiten. 

ANSCHLUSS MIT VORKONFIGURIERTEN LEITUNGEN 

Konkret profitiert das Unternehmen davon, dass u-remote 

bis zu 64 I/O-Module mit nur einer einzigen Einspeisung 

am Koppler versorgt. Zwei hoch belastbare 

10-A-Strompfade sind zudem intelligent getrennt, sodass 

eine separate Versorgung der Eingänge und Ausgänge 

erfolgt. Mit diesen Möglichkeiten kann Weidmüller 

die u-remote-Stationen schmaler gestalten als andere 

von Ferag betrachtete Lösungen. Besonders für dezentrale 

Schaltkästen wie an den Wickelautomaten ist 

das vorteilhaft, denn sie können besonders kompakt 

gehalten werden. 

Trotz des komprimierten Aufbaus fordert das System 

bei der Montage keine Kompromisse in puncto Handhabung 

– im Gegenteil: Dank der übersichtlichen steck- 

baren Anschlussebene profitieren die Installateure bei 

Ferag davon, dass sie die 48 Sensoren und 32 Aktoren 

pro Station mit vorkonfektionierten Leitungen anschließen 

können. Hinzu kommt der effiziente „Push 

in“-Direktsteckanschluss, der ohne Sicherheitsverluste 

eine erhebliche Zeitersparnis mit sich bringt. 

Neben einem stabil laufenden System waren Ferag 

insbesondere praxisgerechte Diagnosemöglichkeiten 

wichtig. „Ein großes Thema für uns sind sicherheitsrelevante 

Aspekte beim Aushändigen unserer Anlagensoftware. 

Vor diesem Hintergrund haben wir uns schon 

lange eine alternative Lösung gewünscht, um im Betrieb 

Diagnosen durchführen zu können“, erklärt Projektleiter 

Norbert Bürge, der die Softwareentwicklung 

für die MTD-10-Wickelautomaten verantwortet hat. 

„Das u-remote-System kam uns hier mit seinem integrierten 

Webserver sehr gelegen.“ 

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei u-remote 

ein Komponententausch im laufenden Betrieb lastfrei 

erfolgen kann, also ohne Busanbindung und Spannungsversorgung 

unterbrechen zu müssen. 

Beim Probelauf einer Anlage sowie auch im laufenden 

Betrieb kommen zudem die Vorteile der eindeutigen 

Zuordnung von Status und Diagnose zum Tragen. 

Diese erfolgt bei u-remote besonders einfach mit einer 

LED direkt am Kanal sowie Statusanzeigen an jedem 

Modul. Techniker erkennen Fehler sofort und können 

sie direkt beheben. 

„Weidmüller hat uns die Möglichkeit gegeben, sämtliche 

Funktionalitäten von u-remote umfassend zu testen. 

Nach erfolgreicher Erprobung können wir das System 

daher heute mit Überzeugung in unsere Anlagen eindesignen“, 

berichtet Bürge. „Wir freuen uns, ein so stabiles, 

gut diagnostizierbares System gefunden zu haben, das 

unseren Anspruch an eine produktive Automatisierung 

von der Planung bis zum laufenden Betrieb erfüllt.“ 

AUTOR 

ANDREAS HOFFMANN, 

Produktmanger Remote 

I/O-Systeme bei 

Weidmüller in Detmold. 

Weidmüller GmbH & Co. KG, 

Ohmstr. 9, D-32758 Detmold, 

Tel. + 49 (0) 5231 14 29 15 80, 

E-Mail: andreas.hoffmann@weidmueller.de 


10 / 2014 

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PRAXIS 

Die richtige Information, zur richtigen Zeit, 

am richtigen Ort = höhere Effizienz 

Ergonomisch gestaltete HMI/Scada-Software macht Zeit frei für kreative Optimierungsarbeit 

FLEXIBLES REZEPTMANAGEMENT sorgt für kontrollierte 

Prozesse, beispiels weise in Bierbrauereien. 

DAS DREIDIMENSIONALE 

MULTI-TOUCH-INTERFACE ermöglicht 

dem Bediener schnelles, präzises und 

motiviertes Arbeiten. 

DER ECHTZEIT- 

ÜBERBLICK, 

hier am Beispiel einer 

Verpackungslinie, bietet 

Zugang zu umfassender 

Information. 

Das Produktionsumfeld ist sehr dynamisch, komplex 

und von immer schärferem Wettbewerb bestimmt. 

Von Maschinenbedienern und Produktionsmanagern 

wird immer höhere Effizienz gefordert. Verfügen sie dafür 

über das beste „Werkzeug“? Wie viel Komfort und 

Motivation bringt die eingesetzte Industriesoftware? 

Spornt sie zu Höchstleistungen an? Fördert sie stressfreie 

Effizienz? Hier kommt die Ergonomie ins Spiel. Sie spielt 

auch bei HMI/Scada-Software eine wichtige Rolle. 

Die Interaktion der Maschinenbediener mit der Anlage 

muss fehlerlos sein, auch bei zunehmender Komplexität 

der Maschinen. Jeder Fehler bedeutet den Verlust 

von Produktivität, kann möglicherweise sogar 

gefährlich sein. Bediener müssen verschiedenstes 

Equipment oft simultan im Auge behalten und häufig 

rasch reagieren. Im Rahmen von Konzepten wie dem 

TPM (Total Productive Management) wird vom Maschinenbediener 

immer mehr ein direkter Beitrag zur 

Prozess optimierung gefordert. 

Wie einfach kann ein Bediener diese Erwartungen 

erfüllen? Wie viele Kilometer muss er an einem Arbeitstag 

zurücklegen, um die verteilten Maschinen und Anlagen 

zu bedienen? Wie steil ist seine Lernkurve? Wirken 

persönliche Motivation und Erfahrung einer leistungsstarken 

Technologie entgegen? 

ABSOLUTE FREIHEIT BEI DER ENTWICKLUNG NÖTIG 

Entscheidende Themen wie diese müssen bei der Entwicklung 

einer ergonomischen HMI/Scada-Software 

berücksichtigt werden. So ist es für den Maschinenbauer 

unerlässlich, dass die Entwicklungsumgebung 

alle notwendigen, einfach konfigurierbaren Komponenten 

sowie absolute Freiheit bei der Implementierung 

eigener Usability-Konzepte bietet. Für den Bediener 

muss darüber hinaus das grafische Interface klar verständlich 

sein – unabhängig von Sprache, Anlagenkomplexität 

oder Farbsichtigkeit –, damit er schnell durch 

die zur Verfügung stehenden Optionen der HMI-Appli- 

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10 / 2014

kation navigieren und einen effektiven Prozessablauf 

gewährleisten kann. Userzentriertes Design reduziert 

im Gegensatz zu klassischen Anwendungen dramatisch 

den Aufwand, die unterschiedlichen Formen von 

Prozessinformationen zu verstehen und ermöglicht so 

eine angenehme, vertraute Interaktion. 

Die Multi-Touch-Technologie beispielsweise ist ein 

neuer Meilenstein in der intuitiven und sicheren Anlagenbedienung. 

Die Lernkurve ist bei weitem flacher 

und neue Interface-Designkonzepte können auf Basis 

der intuitiven, von mobilen Endgeräten (Tablet PCs, 

Smartphones) gewohnten Multi-Touch-Gesten umgesetzt 

werden. Zoomen, Optionsauswahl, User Login 

und abgesicherte Aktionen werden um Klassen einfacher. 

Die Kombination mit einer 3D-Anlagenvisualisierung 

garantiert dem Anwender zum Beispiel die 

rasche Lokalisierung von bestimmten Alarmen. Das 

ist nicht nur funktional nützlich, sondern sorgt auch 

für ein positives Arbeitserlebnis. 

SOFTWARE MUSS OFFEN KOMMUNIZIEREN KÖNNEN 

Offene Kommunikation mit beliebigen anderen Systemen 

ist ein grundlegendes Prinzip einer wirklich unabhängigen 

Software und besitzt für die vollständige 

Integration des Maschinenbedieners innerhalb des 

Produktionsteams große Bedeutung. Die komplette vertikale 

Integration, inklusive der ERP-zu-HMI- Kom - 

munikation, garantiert einen schnellen und sicheren 

Fluss operativer Anweisungen, wie zum Beispiel bei 

Material- oder Verpackungswechsel gemäß der aktuellsten 

Produktplanung. Umgekehrt sammelt die ERP- 

Lösung wertvolle Informationen zu Anlagenleistung 

und Produktqualität direkt über den Bediener und gestaltet 

den fortwährenden Verbesserungsprozess dadurch 

lebendig und kreativ. 

Eine ergonomische Softwarelösung unterstützt den 

Maschinenbediener nicht nur bei der erfolgreichen 

Ausführung seiner Tätigkeiten sondern fördert auch 

dessen Motivation und Gesundheit. 

PRODUKTIONSMANAGER OPTIMAL UNTERSTÜTZEN 

Produktionsmanager und Prozess-Spezialisten spielen 

eine entscheidende Rolle für die Performance eines 

Produktionsbetriebs. Prozessdesign, Qualitätskontrolle, 

Anlageneffizienz und Energiekosten fallen in ihren 

Verantwortungsbereich. Ihr Handeln wirkt sich direkt 

auf den Geschäftserfolg aus, Richtlinien werden von 

ihnen in die Praxis umgesetzt. Plan-Do-Check-Act- 

Prozesse werden ebenfalls von ihnen gelenkt – aber mit 

welchem Aufwand? 

Wie viel Zeit verbringen Mitarbeiter mit der Aufzeichnung 

von Produktionsdaten, um Verbesserungspotenziale 

überhaupt identifizieren zu können? Wie 

schnell können sie riesige Datenmengen in wertvolle 

Leistungsindikatoren umwandeln? Basieren ihre Optimierungsentscheidungen 

auf zuverlässigen Daten und 

Kalkulationen? Eine ergonomisch orientierte Herangehensweise, 

die nah am Menschen bleibt und kreativitätsfeindliche 

Routine aufdeckt, ermöglicht eine nachhaltige 

Lösung, bringt Komfort und reduziert Kosten. 

Die Konnektivität von Software mit sämtlichen relevanten 

Datenquellen quer durch die Produktion ermöglicht 

die notwendige vollständige Analyse. In einer 

fortschrittlichen Software übernehmen dies zahlreiche 

native Kommunikationsprotokolle. Der Supervisor 

bleibt dadurch stets präzise informiert und erspart sich 

die Zeit des manuellen Datensammelns. In Echtzeit 

kalkulierte KPIs (Key-Performance-Indikatoren) wie 

zum Beispiel OEE (Overall Equipment Effectiveness), 

EnPIs (Energy Performance Indicators) oder Qualitätsindikatoren 

geben einen klaren Einblick, wo eine 

schnelle Reaktion Probleme im Prozess lösen kann. 

Was an Zeit für den Aufbau eines Datenflusses eingespart 

wird, steht nun für kreative Optimierungsarbeit 

zur Verfügung, was zu mehr beruflicher Zufriedenheit 

und besseren Leistungen führt. 

Ergonomie bedeutet auch die Möglichkeit, sich ganz 

einfach auf relevante Information zu konzentrieren. 

Ergonomische Software muss eine entsprechende Top- 

Down-Analyse und die passenden Kontextfilter zur 

Verfügung stellen, so wie zum Beispiel Zeit, Ort, Produktionseinheit. 

So bringt Software den Produktionsbetrieb 

auf den Schreibtisch des Managers. Am PC 

stehen ihm die kompletten Informationen in Echtzeit 

sowie umfassende Reports zur historischen Datenanalyse 

zur Verfügung. 

INFORMATION AUF DEN USER ZUGESCHNITTEN 

Aber Anforderungen und Technologie haben sich bereits 

darüber hinaus weiter entwickelt: Die benötigte 

Information kann genau am gewünschten Ort zur Verfügung 

gestellt und auf den jeweiligen User abgestimmt 

werden. Mobile Technologien sind in zeitgemäßer Automatisierungssoftware 

bereits seit längerem Realität 

und ermöglichen mehr Freiheit bei der Optimierung 

der Produktion. Eine Diagnose der Effizienz oder der 

Verbrauchsverluste lässt sich noch erfolgreicher durchführen, 

wenn die Software die Analysemethoden mit 

direkter Prozessbeobachtung kombiniert. Moderne 

Software ist unabhängig von der verwendeten Hardware 

und vom Betriebssystem. Sogar das Smartphone 

kann die Rolle eines ‚Nachrichtensenders‘ für die aktuelle 

Performance einer Anlage annehmen. 

Kurz: die richtige Information, zur richtigen Zeit, 

am richtigen Ort, für die richtigen Empfänger – ohne 

Einschränkungen. Ergonomie in industrieller Software 

bedeutet, dass Produktionsleiter souverän Entscheidungen 

treffen und ‚bequem‘ Höchstleistungen 

erzielen können. 

Mit der Entwicklung in Richtung Echtzeit-Management 

steigt das Tempo: Informationszyklen werden 

kürzer, sogar bei Produktionsberichten. Ein wöchent- 


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PRAXIS 

DYNAMIC PRO- 

DUCTION REPORTING 

für OEE- und ISO 

50001-Analysen. 

licher Report reicht oft nicht mehr aus. Der Zeitpunkt 

für eine Analyse und damit verbundene Entscheidungen 

wird heute von der Entwicklung der wichtigsten 

Kennzahlen bestimmt. Drastische Last-Minute- 

Korrekturen werden durch schnelle, effektive vorbeugende 

Maßnahmen ersetzt. 

Das Management der Produktionsstätte, wie Technikmanager, 

Wartungsmanager und Produktionsmanager, 

profitiert am meisten von dieser Informationsverdichtung. 

Im Vergleich zum Produktionsteam 

benötigen sie einen stark reduzierten Detailgrad an 

Information. Für sie spielt die Datenaggregierung 

eine wesentliche Rolle. Deshalb empfiehlt sich ein 

auf Vorlagen basierendes Reporting, inklusive globaler 

Kennzahlen, Dashboards, Wasserfall-Charts 

sowie einer interaktiven Drill-Down-Analyse. Im 

Idealfall stehen alle diese Kennzahlen jederzeit und 

ortsunabhängig über einen beliebigen Internetbrowser 

zur Verfügung. 

Produktionsmanager benötigen Antworten auf 

eine Menge von Fragen. Doch all die Information 

dazu kann schnell zur überwältigenden Flut werden. 

Eine ergonomische Software muss für den Produktionsmanager 

deshalb zum ‚Visionsbooster‘ werden. 

Benötigt werden modernste, zuverlässige Werkzeuge, 

die seine Handlungsfreiheit nicht einschränken: relevant, 

präzise, konsistent, interaktiv und ansprechend 

präsentierte Information, die immer und überall 

verfügbar ist. 

Produktionsmanager müssen natürlich auch die 

Kosten im Auge behalten, die für derartige ergonomische 

und effizienzsteigernde Lösungen anfallen – 

sowohl bei der Anschaffung als auch für die Erhaltung 

und die flexible Aktualisierung des Systems 

entsprechend der Marktdynamik. Aus der ergonomischen 

Perspektive gibt es mehrere Prinzipien, die 

eine hohe Flexibilität bei gleichzeitig moderaten Kosten 

ermöglichen. Ausbaufähigkeit ist unverzichtbar: 

ergänzende Verbindungen zu neuem Equipment, zu 

Messinstrumenten oder neuer Software müssen jederzeit 

möglich sein. 

Besteht eine Softwarestruktur aus Out-of-the-Box- 

Modulen, die durch das Setzen von Parametern konfiguriert 

wird anstatt mit Programmierung von neuem 

Code, wird die Entwicklung schneller und kosteneffektiver. 

Spezielle Funktionen für effizientes Engineering 

sollten ebenfalls zur Verfügung stehen, etwa Wiederverwendbarkeit, 

zentralisierte und dezentralisierte 

Parameter, automatische Engineering Wizards, um nur 

einige Beispiele zu nennen. Falls mehrere weitere Mitglieder 

des Produktionsteams involviert sind und Zugang 

zur Anwendung benötigen, muss dies schnell via 

Client/Server- und Webserver-Technologie umsetzbar 

sein, unterstützt von adäquater Automatisierungs- und 

IT-Sicherheit. 

Ergonomie im Engineering stellt Hochtechnologie 

einer weiten Bandbreite an technischen Mitarbeitern 

zur Verfügung. Die ständige Forderung nach maximaler 

Zuverlässigkeit, schneller Integration und neuen 

Funktionalitäten geht nun nicht mehr mit einem Mehr 

an Einsatz, größeren Umständen oder endlosem Zeitdruck 

einher. 

Softwaretechnologie muss Grenzen ständig neu ausloten, 

indem sie näher an ihre User kommt und kreativ 

deren berufliche Problemstellungen löst. Die Produktion 

mit ihrem ständigen Appetit auf Spitzenperformance 

ist die perfekte Umgebung. Denn Zukunft 

ist Ergonomie. 

AUTOR 

FRANK HÄGELE 

ist Sales Director der 

COPA-DATA GmbH. 

COPA-DATA GmbH, 

Haidgraben 2, D-85521 Ottobrunn, 

Tel. +49 (0) 89 66 02 98 90, 

E-Mail: Frank.Haegele@copadata.de 

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PRAXIS 

Präzisionssensorik lässt sich auch von zerknitterten 

Barcodes auf Säcken mit Bio-Stärke nicht täuschen 

Vollautomatische Palettieranlage: Leistung der Messtechnik sichert die Performance 

Alles aus einer Hand zu bekommen, das ist mehr als 

nur Nice-to-have“, erklärt Wolfgang Becker. Er ist 

beim Industrieanlagenbauer HSK GmbH International 

als Projektleiter zuständig für eine komplexe Palettieranlage 

bei Kröner Stärke, Europas größtem Produzenten 

für Bio-Stärke-Produkte. Alle Sensoraufgaben wie Identifizieren, 

Detektieren, Distanzen messen, Positionieren 

und auch die Absicherung der Arbeitsräume hat er 

deshalb mit Sensoren von Leuze electronic gelöst. 

„Aus rein technischer Sicht hat die Performance der 

Sensoren absolute Priorität“, betont Wolfgang Becker aus 

der Elektronikkonstruktion bei HSK in Glückstadt. Das 

gilt umso mehr, wenn es um komplexe Anlagen mit hohem 

Durchsatz und anspruchsvollen Umgebungsbedingungen 

geht, wie im Fall der Palettieranlage für Kröner 

Stärke in Ibbenbüren. „Die Auswahl der richtigen Sensoren 

bestimmt maßgeblich die Leistungsfähigkeit, Verfügbarkeit 

und Sicherheit einer Anlage; zumal es sich im 

Anschluss an die Absackung der Produkte um eine mit 

Stärkemehl belastete Umgebung handelt“, sagt Becker. 

NEUES PRODUKTIONS- UND LOGISTIKZENTRUM 

Die Kröner Stärke – Hermann Kröner GmbH produziert 

im Teutoburger Wald zwischen Münster und Osnabrück 

unter anderem naturbelassenes Stärkemehl aus 

nachwachsenden Rohstoffen. Rund 75 Prozent gehen 

an die Lebensmittelindustrie, 25 Prozent werden in 

Futtermitteln oder in der technischen Industrie etwa 

zur Produktion von Papier oder Klebstoffen verwendet. 

Das 1900 gegründete Unternehmen ist heute Europas größter 

Produzent für Bio-Stärke-Produkte und als solcher expandierend 

sowie stetig damit beschäftigt, Produktionsabläufe 

konsequent zu optimieren, um Produktionsleistungen 

und Produktqualitäten immer weiter zu verbessern. 

„Aus diesem Grund haben wir auch ein neues 

Produktions- und Logistikzentrum mit einer Fläche von 

rund 8.000 Quadratmeter gebaut“, erzählt Michael Termöllen, 

Prokurist und Betriebsleiter bei Kröner Stärke. 

ROBOTER SORTIEREN DIE ANKOMMENDEN SÄCKE 

Hier werden die Weizenstärkeprodukte abgesackt, 

sprich in Säcke mit 12 bis 25 Kilogramm Inhalt beziehungsweise 

in sogenannte Big Bags (Gewebesäcke) für 

bis zu 1000 Kilogramm Stärkemehl verpackt. Die Produktionslinien 

laufen am Ende auf zwei Förderstrecken 

zusammen, an denen jeweils ein Palettierroboter die 

Säcke auf Paletten stapelt. Jeder Roboter hat drei Palettenstellplätze, 

wo die im Mix ankommenden Säcke 

nach Produkt und Größe sortiert gestapelt werden. Zusätzlich 

hat jeder Roboter einen vierten Palettenplatz 

für Ausschleusungen: Jeder Sack wird nämlich auf den 

Förderstrecken vor den Palettierrobotern nach Gewicht 

sowie beispielsweise auf Fremdkörper geprüft und gegebenenfalls 

ausgeschleust. 

Außerdem wird die Flexibilität der Roboter für Umpalettierungen 

genutzt, wenn bereits palettierte Säcke 

auf Kundenwunsch individuell etikettiert werden sollen. 

Die Big Bags werden über Bypasslinien an den Palettierrobotern 

vorbeigeführt. Die Zuführung der Leerpaletten 

von einem Portalroboter zu den Palettierrobotern 

und an die Big-Bag-Linien ist ebenfalls Bestandteil 

der von HSK realisierten vollautomatischen 

Palettieranlage. 

SICHERE IDENTIFIZIERUNG IST UNABDINGBAR 

Damit diese Prozesse vollautomatisch ablaufen können, 

ist die eindeutige Kennzeichnung der Produkte und 

damit einhergehend die sichere Identifizierung durch 

die Roboter notwendig. Dafür werden mittels Inkjet- 

Drucker Barcodes auf die Säcke gesprüht. „Daraus resultiert 

eine der großen Herausforderungen in dieser 

Applikation“, erklärt Termöllen, der damit die Lesbarkeit 

der gedruckten Barcodes anspricht. Die Säcke aus 

Papier, respektive die Bereiche zum Aufbringen der 

Barcodes, sind nicht immer glatt und während des 

Druckvorgangs nicht immer im exakten Abstand positioniert. 

Dies führt zu Kontrastunterschieden und zu 

mehr oder minder verzerrt gedruckten Barcodes. 

Die sichere Identifikation dieser Barcodes leisten 

Barcodeleser der Baureihen BCL 304i und BCL 504i. 

Im Unterschied zu anderen getesteten Barcodescannern 

stellen diese Geräte die ideale Lösung dar, um 

die aufgesprühten Barcodes in den relativ unterschiedlichen 

Positionen auf den Stärkemehlsäcken 

sicher zu lesen. Dazu trägt maßgeblich die Hochleistungsoptik 

mit einem symmetrisch-optischen Öffnungswinkel 

von plus/minus 30 Grad und einer großen 

Tiefenschärfe bei. 

MILLIMETERGENAU POSITIONIERT 

„Entscheidend für die Lesesicherheit ist allerdings die 

Code-Fragment-Technologie“, attestiert Projektleiter 

Becker. Die CRT-Technologie gewährleistet hohe Lesesicherheit, 

indem sie Barcodes selbst unter großer 

Schräglage zur Mittenachse in einzelnen Fragmenten 

mehrfach versetzt liest. Diese Fragmente werden anschließend 

von der Software des Lesegeräts, anhand 

der sich überlappenden Elemente, wieder zu einem 

Gesamtergebnis zusammengefügt. „So lassen sich die 

auf den meist unebenen Oberflächen der Säcke mit 

unterschiedlichen Kontrasten und oft verwaschen 

oder gezackt erscheinenden Codes sicher lesen“, bestätigt 

Becker. 

Den Abtransport der beladenen Paletten sowie die 

Zuführung von Leerpaletten von und zu den Palettierrobotern 

übernehmen sogenannte Umsetzwagen. 

Diese werden an frei programmierbaren Umsetzpositionen 

mittels Laser-Distanzmessgeräten der Produktfamilie 

AMS 300i millimetergenau positioniert. Die optischen 

Entfernungs-Messsysteme auf Basis eines Rotlichtlasers 

sind konzipiert für Applikationen, bei denen 

Positionsdaten von bewegten Anlagenteilen, in diesem 

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ZUFRIEDEN MIT DER PERFORMANCE der 

Anlage: Michael Termöllen (links), Betriebsleiter 

bei Kröner Stärke, und Wolfgang Becker, 

Projektleiter beim Anlagenbauer HSK. 

JEWEILS EIN ROBOTER stapelt am Ende von Produktionslinie und 

anschließender Förderstrecke die gefüllten Säcke auf Paletten. 

Fall die Umsetzwagen, über größere Entfernungen berechnet 

werden müssen. Durch den Einsatz modernster 

Signalprozessoren lassen sich Entfernungen von bis zu 

300 Meter millimetergenau und im Millisekunden- 

Raster berechnen. Die Systeme bestehen aus jeweils 

einem stationär montierten Laser-Messgerät mit gegenüber 

an den Umsetzwagen angebrachter Reflektorfolie. 

„Die SSI-Schnittstellen der bei Kröner Stärke verwendeten 

Gerätevariante AMS 304i erlauben die Anbindung 

direkt an die Antriebsumrichter der Umsetzwagen“, 

freut sich Becker, der so eine leistungsfähige 

Punkt-zu-Punkt-Positionierung realisiert und gleichzeitig 

die übergeordnete SPS entlastet hat. 

Die vielfältigen, ausschließlich schaltenden Sensoraufgaben 

im Netz der Förderstrecken sind mit induktiven 

Sensoren in kubischen und zylindrischen Bauformen 

oder nach Bedarf mit Lichtschranken oder 

Lichttastern der Baureihe 46B gelöst. Hier sind es vor 

allem die Reflexions-Lichtschranken PRK 46B sowie 

die Reflexions-Lichttaster mit Hintergrundausblendung 

HRTR 46B, die Becker schon seit Jahren als „Hausmarke“ 

bezeichnet. Seine Überzeugung und sein Vertrauen 

in die Produkte resultieren aus vielen eigenen Tests, in 

denen er gezielt versucht hat, die Sensoren zu „betrügen“ 

und in denen er die hohen Reichweiten und Leistungsreserven 

als unschlagbar bestätigt fand. 

ANSPRUCHSVOLLE SICHERHEITSSENSORIK 

Anspruchsvolle Lösungen sind aufgrund der Komplexität 

der Palettieranlage für die Sicherheitssensorik erforderlich. 

Hier sind im Wesentlichen Solid-4-Sicherheits- 

Lichtvorhänge Typ 4 sowie Mehrstrahl-Sicherheits-Lichtschranken 

der Baureihe MLD 500 im Einsatz. Die Sicherheits-Lichtvorhänge 

dienen vor allem der Zutrittsicherung 

an den Palettenstellplätzen im Umfeld der Palettierroboter. 

Ebenfalls den Anforderungen nach Typ 4 gemäß 

IEC EN 61496-1 entsprechend sind die Mehrstrahl-Sicherheits-Lichtschranken 

MLD 500 an diversen Gefahrenstellen 

im Netz der Förderstrecken ausgeführt. In robusten 

und störsicheren Ausführungen sorgen sie für höchste 

Anlagenverfügbarkeit. „Von Vorteil bei den MDL-Sicherheits-Lichtschranken 

ist die integrierte Muting-Funktion, 

die über die Stecker-PIN-Belegung leicht parametrierbar 

ist“, erläutert Becker. Ergänzend zu den Sicherheits-Lichtvorhängen 

und -Lichtschranken werden an Türen Sicherheits-Zuhaltungen 

L100 und zu deren zusätzlicher Überwachung 

magnetcodierte Sensoren MC 300 verwendet. 

Die Einbindung der Sicherheitssensorik in die Anlagensteuerung 

erfolgt über programmierbare Sicherheits- 

Schaltgeräte aus der Produktfamilie MSI 200. Diese bieten 

aufgrund der einfachen Handhabung bei der Inbetriebnahme, 

der flexiblen Konfigurationsmöglichkeiten und 

der breiten On-Board-Funktionalität eine optimale Systemlösung. 

„Vorteilhaft ist die modulare Erweiterbarkeit“, 

ergänzt Becker, der auch im Bereich der Anlagensicherheit 

die Performance seiner Hausmarke schätzt. 

AUTOR 

FRANK BRÖCKER ist Vertriebsmanager 

bei der Leuze 

electronic GmbH + Co. KG. 

Leuze electronic GmbH + Co. KG, 

In der Braike 1, D-73277 Owen, 

Tel. +49 (0) 40 66 85 13 30, 

E-Mail: frank.broecker@leuze.de 


10 / 2014 

19

PRAXIS 

Maßgeschneiderte Systemboards erlauben schnelle 

Anbindung von Feldsignalen in großen Anlagen 

Aufwendige und fehleranfällige Einzelverdrahtung entfällt – Inbetriebnahme wird beschleunigt 

SCHNELLE UND 

BETRIEBSSICHERE 

ANBINDUNG: 

16-kanaliges Termination 

Board für Emerson DeltaV. 

TRANSPARENT 

FÜR HART: 

Die universelle 

AI-/AO-Barriere 

des H-Systems. 

Bilder: Pepperl+Fuchs 

Eine effiziente Lösung für die sichere Anbindung von 

Ex-i-Feldsignalen mit vielen Messstellen sind vorkonfektionierte 

Termination Boards. Sie werden in 

Abstimmung mit Herstellern von Prozessleitsystemen 

entwickelt. Für diese Termination Boards existiert ein 

breites Portfolio von Trennbarrieren mit unterschiedlichen 

Funktionen. Damit entfällt eine aufwendige, 

manuelle und fehleranfällige Einzelverdrahtung, zudem 

wird die Inbetriebnahme beschleunigt. 

Auch die neuen Emerson Boards von Pepperl+Fuchs 

sind speziell auf die Anforderungen der I/O-Karten 

des kundeneigenen Prozessleitsystems ausgelegt. Die 

klassische Punkt-zu-Punkt-Verbindung ist eine bewährte 

Lösung in der Interfacetechnik. In großen Systemen 

steigt aber der Aufwand; nicht nur für Verdrahtung 

und Inbetriebnahme, sondern auch für Planung 

und Dokumentation. 

DIE KOSTEN REDUZIEREN SICH ERHEBLICH 

Wie aus einer klassischen Struktur eine neue und wirtschaftliche 

Lösung für Projekte mit vielen Ex-i Messstellen 

wird, zeigen vorkonfektionierte Termination 

Boards des H-Systems von Pepperl+Fuchs. Sie wurden 

speziell nach den Wünschen und Anforderungen der 

Hersteller von Prozessleitsystemen entwickelt. 

Die Verbindung auf der Feldseite erfolgt über Klemmen, 

auf der Steuerseite über vorkonfektionierte Kabel. 

Aufgrund der spezifischen Systemsteckverbinder garantieren 

die Termination Boards eine schnelle und 

betriebssichere Anbindung der Signale an das jeweilige 

Automatisierungssystem. Eine aufwendige, manuelle 

und fehleranfällige Einzelverdrahtung entfällt. Zudem 

beschleunigt sich die Inbetriebnahme, da das Überprüfen 

der Verkabelung und das Beseitigen eventueller 

Fehlbelegungen nun deutlich einfacher sind. Damit 

reduzieren sich die Kosten für Planung, Verdrahtung 

und Dokumentation erheblich – je größer das Projekt, 

umso höher das Einsparpotenzial. 

Auch bei den neuentwickelten Emerson Termination 

Boards sind die Funktionen und die Belegung des Steckers 

genau auf die Anforderungen der I/O-Karten des 

DeltaV-Prozessleitsystems zugeschnitten. Zur Verfügung 

stehen vier Systemboards, die für 32-kanalige DI-, 

32- und 8-kanalige DO-Karten sowie 8-kanalige AI-/AO- 

Karten auf der Steuerungsseite ausgelegt sind. 

GERINGER PLATZBEDARF – WELTWEITE ZULASSUNG 

Die Boards können jeweils mit maximal vier Trennbarrieren 

bestückt werden – für die digitalen Karten beispielsweise 

mit 4-kanaligen Schaltverstärkern und 2-kanaligen 

Ventilsteuerbausteinen, für die analogen mit 

4-kanaligen Transmitterspeisegeräten und Stromtreibern. 

An das AI/AO Board (16 Kanäle) kann der Anwender 

zwei 8-kanalige AI- oder AO-Karten anschließen. 

Diese DeltaV-spezifischen Termination Boards des 

H-Systems werden im Schaltschrank auf einer 35 mm 

DIN-Hutschiene befestigt und benötigen sehr wenig 

Platz. Sie sind für den weltweiten Einsatz geeignet, da 

sie über umfassende Zulassungen verfügen. 

Die konfektionierten Systemboards für die digitalen 

Karten des DeltaV-Prozessleitsystems von Emerson sind 

mit einem Fehlermeldeausgang ausgestattet. Damit stehen 

dem Leitsystem aktuelle Statusinformationen zur 

Verfügung. Bei den Boards für analoge Karten erlaubt 

eine Leitungsfehlertransparenz die lückenlose Überwachung 

der Feld- und Steuerleitungen auf jedem einzelnen 

Kanal. Auch die Kommunikation über HART 

ist möglich – denn die Emerson-Karten unterstützen 

die HART-Kommunikation und die Trennbarrieren 

sind ohnehin für HART transparent. 

Neben den prozessleitsystemspezifischen Termination 

Boards des H-Systems von Pepperl+Fuchs ist auch eine 

20 


10 / 2014

Jetzt bestellen! 



Vielzahl von Termination Boards verfügbar, die nicht 

für ein spezielles Leitsystem ausgelegt sind. 

Die Versorgung der Trennbarrieren erfolgt redundant 

und abgesichert über das Board, die Konfiguration 

über Dip-Schalter oder einen PC. Die universellen 

Boards sind entweder mit Sub-D Stecker oder 

Klemmenblock auf der Steuerungsseite lieferbar. 

MONTAGE ERFORDERT KEINE WERKZEUGE 

PIN-Belegung und Klemmen-Bezeichnung sind über 

das gesamte Portfolio konsistent, so dass jedes Modul 

auf jedem Termination-Board-Steckplatz platziert 

werden kann. Zusätzlich steht ein spezielles 

HART Communication Board zur Verfügung. Es 

verfügt über einen Steckplatz für einen Multiplexer, 

der bis zu 32 Kanäle adressieren kann. Dieser übernimmt 

die Funktion eines Gateways, das die Kommunikation 

zwischen der Wartungsstation und den 

HART-Feldgeräten herstellt. Die Verbindung des 

HART Communication Boards zu anderen Boards 

erfolgt über vorkonfektionierte Verbindungskabel. 

Als Trennbarrieren für eigensichere Anwendungen 

stehen neben Transmitterspeisegeräten, Ausgangstreibern 

und Repeatern hochfunktionale Bausteine für 

die Signalvorverarbeitung zur Verfügung. Dazu zählen 

Schaltverstärker, Frequenzumformer oder Relaisbausteine 

ebenso wie Ventilsteuerbausteine, Messumformer 

und Grenzwertschalter. Alle Termination 

Boards können ohne den Einsatz von Werkzeugen 

montiert werden. Kodierstifte verhindern dabei eine 

Fehlplatzierung. Um die Verfügbarkeit der Anlage zu 

erhöhen, sind alle Module „hot swap“-fähig, können 

also während des Betriebes ausgetauscht werden. Die 

Arretierung nach dem Einsetzen wird durch einen 

Quick-Lok-Riegel gewährleistet. 

AUTOR 

Dipl.-Ing. ANDREAS 

GRIMSEHL ist Produkt 

Marketing Manager 

Interface Technology 

im Geschäftsbereich 

Prozessautomation 

bei Pepperl+Fuchs. 


Pepperl+Fuchs GmbH, 

Lilienthalstraße 200, D-68307 Mannheim, 

Tel. +49 (0) 621 776 17 94, 

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



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10 / 2014 

21

PRAXIS 

Big Data für Industrie 4.0 – größter Demonstrator 

zeigt Optimierungspotenziale für die Unternehmen 

Fraunhofer IOSB-INA entwickelt Vorhersagemodelle, die Fehler erst gar nicht entstehen lassen 

Wenn Industrieunternehmen ihre Anlagen steuern 

und überwachen, fallen große Datenmengen an. 

Sensoren erfassen Temperaturen, Drücke, Förderströme 

oder Energiedaten. Nach einer Studie zum Thema Big 

Data des Fraunhofer IAIS entstand bereits 2011 weltweit 

ein Datenvolumen von rund 1,8 Zettabyte, das sich 

Prognosen zufolge alle zwei Jahre verdoppeln soll. 

Doch wie kann man diese Datenmengen nutzen? Welche 

Vorteile bergen Sie für Industrieunternehmen? 

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des 

Fraunhofer-Anwendungszentrums Industrial Automation 

(IOSB-INA) in Lemgo entwickeln Verfahren, die 

dieses brachliegende Potenzial heben und realisieren 

sie in einem der ersten Big-Data-Demonstratoren. 

PARAMETER OPTIMIEREN – FEHLER VERHINDERN 

Big-Data-Verfahren in der Produktion werden Industrieunternehmen 

künftig zahlreiche Vorteile verschaffen. 

Wartungen, Optimierungen und Vorhersagen können 

mit Big Data verbessert werden. Dazu entwickelt das 

Fraunhofer IOSB-INA Methoden, die gewonnene Daten 

so aufzubereiten, dass die Verfügbarkeit der Anlagen 

signifikant steigt und der Ressourcenverbrauch sinkt. 

Prädikationsfähige Modelle lassen es zu, Fehler nicht 

nur zu diagnostizieren, sondern auch die Systemparameter 

zu optimieren, so dass Fehler gar nicht erst auftreten. 

Diese Modelle werden datengetrieben mit Hilfe 

von maschinellen Lernverfahren erstellt. Dies bietet 

einen enormen Vorteil, da kein oder sehr wenig Strukturwissen 

nötig ist. 

STÜNDLICH 1 GB PROZESSDATEN IN ECHTZEIT ERFASST 

Ihr Know-how bündeln die Wissenschaftler nun im – in 

diesem Umfang – ersten Demonstrator für Big Data in 

der Produktion, in dem datengetriebene Verfahren angewendet 

werden: In dem modularen Montagesystem 

der SmartFactoryOWL ist Big Data heute schon erlebbar. 

Sämtliche Sensor- und Prozessdaten der Montagelinie, 

welche verschiedene Module wie Roboterarme, 

Laserzelle und ein Augmented Reality Modul umfasst, 

werden in einer Cloud gespeichert. Zurzeit sind das 

rund 1 GB Daten je Stunde von rund 270 Prozessdatensätzen, 

die in Echtzeit erfasst werden. Diese Daten weisen 

die unterschiedlichsten Formate auf. In einem ersten 

Schritt werden die Daten daher erfasst und semantisch 

annotiert. 

In der Cloud werden die Daten gespeichert und vor 

allem auch analysiert. Ähnliche Ansätze behandeln 

heute nur einzelne Komponenten und nicht gesamte 

Anlagen. Insbesondere im Kontext von Industrie 4.0 

22 


10 / 2014

können sie schon heute auf ihr im Big-Data-Demonstrator 

gebündeltes Know-how zurückgreifen und die Industriepartner 

bei der Einbindung von Big-Data-Verfahren 

in ihre Anlagen unterstützen. 

MODULARES MONTAGESYSTEM 

DER SMART FACTORYOWL: 

Hier werden Prozessdaten 

erfasst und zur Optimierung 

der Gesamtanlage aufbereitet. 

Bild: Fraunhofer IOSB-INA 

SELBSTLERNENDES ASSISTENZSYSTEM 

In dem Projekt AGATA entsteht ein selbstlernendes 

Assistenzsystem, das durch die Beobachtung komplexer 

Verarbeitungsprozesse in Industrie und Landwirtschaft 

Zusammenhänge ermittelt und so Fehler, Anomalien 

und Optimierungsbedarf automatisch erkennt. 

Die hohe Komplexität industrieller und landwirtschaftlicher 

Verarbeitungsprozesse und die 

ständig wachsenden Datenmengen führen zu einer 

Überlastung des Anwenders bei der Überwachung, 

Analyse und Diagnose. Daher werden in AGATA Methoden 

zur Prozessüberwachung entwickelt, die im 

Gegensatz zu existierenden Speziallösungen mit geringem 

Konfigurationsaufwand an Änderungen der 

Prozessabläufe adaptiert und für ein weites Anwendungsspektrum 

eingesetzt werden können. Darüber 

hinaus werden in dem Projekt Methoden zur Erfassung 

großer Datenmengen in heterogenen Netzwerken 

entwickelt. 

Das in AGATA gewonnene Wissen durch die Anwendungen 

in den Unternehmen, sowie das Knowhow 

aus weiteren Projekten zum Umgang mit großen 

Datenmengen fließt anschließend ebenfalls in 

den Big-Data-Demonstrator ein. 

müssen Big-Data-Ansätze die Gesamtheit der Anlagen 

betrachten, denn dort kann der Großteil des Optimierungspotenzials 

ausgeschöpft werden. Aus diesem 

Grund setzten die Lemgoer Forscher auf eine ganzheitliche 

Analyse der gesamten Montagelinie. 

Beispielsweise werden Verfahren zur Optimierung 

der Energieeffizienz des Montagesystems integriert. Die 

Forscher nutzen lernfähige Data-Mining-Methoden, die 

je nach Art der Fertigungsverfahrens, die optimalen 

Abläufe errechnen. Dazu setzen sie datengetriebene, 

selbstlernende Methoden ein, die sich schnell und 

selbstständig an ändernde Produktionsprozesse anpassen. 

Andere Beispiele sind Verfahren zum Condition 

Monitoring und zur Anlagenüberwachung. 

Neben der Veranschaulichung von Big Data ist die 

Anlage auch aktiver Bestandteil der Forschungsund 

Entwicklungsarbeit. An dem Big-Data-Demonstrator 

sind maschinelle Lernverfahren großer Datenmengen 

in der Industrie greifbar umgesetzt. 

Im aktuell gestarteten BMBF-Projekt „Analyse großer 

Datenmengen in Verarbeitungsprozessen (2014)“, kurz 

AGATA entwickeln die Forscher seit September zusammen 

mit Unternehmen wie Claas, Tönsmeier, Bayer 

Technologie Services, Hilscher und dem DFKI weitere 

Verfahren zur Nutzung großer Datenmengen. Dabei 

AUTOREN 

Prof. Dr. OLIVER NIGGEMANN ist 

stell vertretender Leiter des Fraunhofer- 

Anwendungszentrums Industrial 

Automation (IOSB-INA). 

Fraunhofer-Anwendungszentrum Industrial 

Automation (IOSB-INA), 

Langenbruch 6, D-32657 Lemgo, 

Tel. +49 (0) 5261 942 90 42, 

E-Mail: oliver.niggemann@iosb-ina.fraunhofer.de 

M.Sc. SÖREN VOLGMANN ist 

wissenschaftlicher Mitarbeiter im 

Fraunhofer-Anwendungszentrum 

Industrial Automation (IOSB-INA). 

Tel. +49 (0) 5261 942 90 34, 

E-Mail: soeren.volgmann@iosb-ina.fraunhofer.de 


10 / 2014 

23

HAUPTBEITRAG 

Energieorientierte 

Prozessführung 

Steuerstrategien im Anwendungsfall Containerumschlag 

Neben der zeitlichen Optimierung von Prozessabläufen sollten Lösungen zum Umschlag 

von Containern Aspekte der Ressourcennutzung und der Lastflexibilisierung 

berücksichtigen. Dazu eignen sich Strategien der energieorientierten Prozessführung, 

mit denen sich die am Prozess beteiligten Systeme gezielt beeinflussen lassen. 

Im Beitrag werden einige Voraussetzungen und mögliche Schnittstellen für eine 

energieorientierte Fahrweise erläutert. Indem das Gesamtsystem in das Engineering 

einbezogen wird, können – im Gegensatz zu klassischen Lastmanagementlösungen 

– künftige Lösungen flexibler gestaltet werden. 

SCHLAGWÖRTER Prozessqualität / Ressourcenbedarf / Serviceschnittstellen 

Energy-Oriented Process Control – 

Control Strategies in the Use Sase of Container Handling 

In addition to the optimization of the timing of process flows, future solutions of 

container handling should also consider aspects of resource use, as well as increasing 

the load flexibility. Strategies of energy-oriented process management need 

to be developed which allow a targeted influence of systems involved in the process. 

The conditions and possible interfaces are discussed taking the example of container 

handling. In contrast to traditional load management solutions, it will be 

possible to design solutions more flexibly by including past and future conditions. 

KEYWORDS process quality / resource requirements / service interfaces 

24 


10 / 2014

STEPHAN SCHÄFER, Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin 

ULRICH BERGER, Brandenburgische Technische Universität Cottbus 

DIRK SCHÖTTKE, THOMAS KÄMPFE, Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin 

Energieversorger sind gesetzlich verpflichtet, 

die Versorgungssicherheit unter Einbeziehung 

regenerativer Lösungen zu gewährleisten. 

Hierzu werden vermehrt intelligente 

und dezentrale Energieversorgungssysteme 

installiert. Die Dezentralisierung stellt besondere 

Anforderungen an die Auslegung und den Betrieb 

der Stromnetze. Dies muss bei der Bereitstellung der 

Regelenergie berücksichtigt werden. Durch den Einsatz 

flexibler Systeme bieten sich zusätzliche Möglichkeiten 

für Dienstleistungen, ein gezieltes Lastmanagement 

für die Reduktion der Regelenergie und 

der zusätzlichen Steigerung der Effektivität des Gesamtsystems. 

Zudem ist eine Lastflexibilisierung 

durch gezielte Kooperation mit dem Konsumenten 

möglich [1]. Ein effektives Lastmanagement ist eine 

Kernvoraussetzung. 

In diesem Kontext weisen Industrieanlagen den 

größten Ressourcenbedarf auf. Dementsprechend 

sollten sie so gestaltet werden, dass auf Änderungen 

der Ressourcenbereitstellung effektiv reagiert werden 

kann. Dazu bedarf es einer systematischen 

Analyse der vorhandenen Prozesse und deren energetischer 

Bewertung. Anlagenbetreiber können 

mit dieser Bewertung Aussagen zur Energieeffizienz 

und über den Ressourcenbedarf der eingesetzten 

Systeme und der zugeordneten Prozessabläufe 

treffen. Dies gilt für komplexe Industrieanlagen und 

lässt sich auf weitere Anwendungsbereiche übertragen. 

Mit der aus der Bewertung gewonnenen Information 

ist eine Vergleichbarkeit von Anlagen eines Technologiebereiches 

aus energetischer Sicht möglich. Zudem 

können künftige Strategien für eine gezielte Lastflexibilisierung 

darauf Bezug nehmen. Diese können 

vielfältig sein und sollten die Prognose des künftigen 

Energieverbrauchs der Anlagen berücksichtigen. Unter 

Einbeziehung der Prognose können Handlungen 

für eine gezielte Lastglättung abgeleitet werden. Für 

die Umsetzung und Integration der Strategien in ein 

Lastmanagementsystem sind folgende Voraussetzungen 

zu schaffen [2]: 

Prognose des künftigen Energiebedarfs und 

eigenen Zustands 

Bestimmung der Freiheitsgrade bezüglich der 

Energienutzung 

Austausch von Information über die vorhandenen 

Freiheitsgrade 

Steuerung der eigenen Energienutzung 

Die Thematik der Lastflexibilisierung umfasst jedoch 

nicht nur den Aspekt der Ressourcennutzung, sondern 

auch die Frage, wie Bestandssysteme in künftige Lösungen 

integriert werden können. 

1. BEISPIEL – UMSCHLAGPROZESS 

Auf einem Containerterminal (CT) sind viele Systeme 

am Umschlagprozess beteiligt. Neben den Containerbrücken 

(CB) werden fahrerlose Transportfahrzeuge 

(AGV) und Portalkrane (PK) genutzt, siehe Bild 1. Bei 

der Betrachtung der Systeme und des erforderlichen 

Ressourcenbedarfs sind CT mit Industrieanlagen vergleichbar. 

Bereits einzelne Teilprozesse des Containerumschlags 

weisen eine komplexe Struktur auf [3]; sie 

zu beherrschen, setzt eine detaillierte Prozessanalyse 

und ein systematisches Engineering voraus. 

Zum Beispiel können auf dem hoch automatisierten 

Containerterminal Altenwerder (CTA) der Hamburger 

Hafen und Logistik AG (HHLA) bis zu 10 000 Container 

in 48 Stunden umgeschlagen werden. Hier kommen bis 

zu 15 CB, 86 AGV und 54 PK zum Einsatz [5]. Dieser 

Durchsatz stellt hohe Anforderungen an die Synchronisation 

der Prozesse und Anlagen [6-8]. Die Beherrschung 

derart komplexer Systeme und Abläufe ist für 

den Betreiber eines CT zwingend notwendig. Entscheidend 

sind die weitgreifende Modularisierung und Vereinfachung 

der Strukturen. Die am Umschlag beteiligten 

Systeme müssen ebenfalls in der Lage sein, volatile 

Rahmenbedingungen zu berücksichtigen. Nur anpassungsfähige 

Lösungen können variabel auf geänderte 

Rahmenbedingungen reagieren. Dies erfordert flexible 

und skalierbare Automatisierungskonzepte. 


10 / 2014 

25

HAUPTBEITRAG 

AGV 

Energieverbrauch [%] 

50 

25 

0 

−25 

50 

25 

0 

−25 

50 

25 

0 

−25 

1000 1200 1400 1600 1800 

Zeit [s] 

Simulierte Werte 

Durchschnitt 15 min 



BILD 1: Containerterminal – Übersicht (Ausschnitt) [4] 

BILD 2: Simulierter Lastverlauf und Mittelung 

2. HANDLUNGSBEDARF – ANWENDUNGSFALL 

Aus Sicht der Betreiber erfolgte bisher eine Optimierung 

der Prozesse mit dem Ziel, das Umschlagvolumen 

zu erhöhen [9]. Bereits dieser Aspekt ist eine Herausforderung, 

da es sich um seilgeführte Handlingsysteme 

handelt [10]. Diese transportieren schwere Lasten mit 

hohen Beschleunigungen und Geschwindigkeiten entlang 

einer vorgegebenen Trajektorie. Mit der Integration 

von Assistenzsystemen in die Steuerungsumgebung 

sind diese Prozesse beherrschbar. 

Zunehmend gewinnt die Betrachtung der Energieeffizienz 

durch die Vergleichbarkeit mit Referenzanlagen an 

Bedeutung. Die Anforderungen der Betreiber müssen um 

die Aspekte einer energieorientierten Prozessbewertung/- 

führung erweitert werden. Nur damit ist es möglich, flexibel 

auf veränderte Rahmenbedingungen der Energieversorger 

zu reagieren. Dies ist erforderlich, da sich bereits 

mit der Änderung von Abrechnungsmodalitäten 

die Wettbewerbsituation verschlechtern kann [11]. Bild 2 

und 3 zeigen einen simulierten Lastgang (Ressourcenbedarf) 

für einen Verbund von CB im Umschlagprozess. Die 

simulierten Daten sind normiert ausgewiesen und 100 % 

entsprechen dem maximal möglichen Energiebedarf. Hier 

sind die Auswirkungen einer Reduktion des Erfassungsintervalls 

(Standard 15 min → 5 min → 1 min) deutlich 

sichtbar. Mit abnehmendem zeitlichen Erfassungsintervall 

nimmt bei gleichem Lastverlauf die Schwankungsbreite 

zu. Dadurch verschlechtert sich die Kostensituation, 

siehe Tabelle 1, da Energieversorger immer den Maximalwert 

als Abrechnungsgrundlage im jeweiligen Erfassungszeitraum 

nutzen. 

In Ausnahmesituationen kann es auch zur Limitierung 

der Ressourcenbereitstellung kommen. In diesen Fällen 

ist der Energieversorger kurzfristig nicht in der Lage, den 

erforderlichen Ressourcenbedarf abzusichern und verwendet 

entsprechende Notfallszenarien. Bei einer solchen 

Ressourcenzuteilung muss eine flexible Anpassung 

des Anlagenbetriebes und eine eigenständige Parametrierung 

von Systemen gegeben sein. Der Betreiber wird 

in der Regel nicht in der Lage sein, hier manuell anlagenübergreifend 

umfangreiche Änderungen durchzuführen. 

Mit einer flexiblen und eigenständigen Anpassung wäre 

unter Berücksichtigung eingeschränkter Ressourcen der 

Betrieb mit Einschränkungen möglich. 

Am Beispiel des Containerumschlags werden im Beitrag 

die Aspekte der Reduktion von Lastschwankungen 

und eine mögliche Lastflexibilisierung als Einstieg in 

die Themenstellung verwendet. Hierzu erfolgen die 

Betrachtungen des Umschlagprozesses und der erforderlichen 

energieintensiven Komponenten [12]. Aus 

dieser Information können eine energieorientierte Prozessführung 

aufbereitet und die notwendigen Strategien 

abgeleitet werden. Daraus ergeben sich Möglichkeiten 

zur Lastflexibilisierung. Dieser Sachverhalt ist 

für den Hafenbetreiber (Konsument) der Anlage und 

den Energieversorger (Produzent) wesentlich. 

3. ANSATZ – ENERGIEORIENTIERTE PROZESSANALYSE 

Für eine energetische Synchronisation von technologischen 

Prozessen bedarf es einer systematischen Analyse 

der Anlagenstruktur und ihres Verhaltens. Der 

scheinbar einfache Weg einer energieorientierten Bewertung 

ist das etablierte Monitoring des Prozessverlaufs 

und deren Ressourcennutzung. Im jeweiligen 

Anwendungsfall erfolgt die Betrachtung des nominalen 

26 


10 / 2014

Wahrscheinlichkeitsdichte 

1.6 

1.2 

0.8 

0.4 

0.0 

0.6 

0.4 

0.2 

0.0 

0.12 

0.09 

0.06 

0.03 

0.00 

0 5 10 15 20 25 30 

Energieverbrauch [%] 

Theoretische Dichte 


BILD 3: Spanne des Energieverbrauchs 

TABELLE 1: Verbraucher 

und Kostenkalkulation 

(Schätzwerte) 



Energiebedarf 

(Annahme) 

Theortische 

Maximallast 

Antriebe, … 2 000 kW 30 000 kW 

Anzahl Bezeichnung Energieintensive 

(Auszug) 

15 

Containerbrücke 

50 Portalkrane Antriebe, … 800 kW 40 000 kW 

…. 

Sonstige 

Positionen 

… … 10 000 kW 

1 

Containerterminal 

… Summe 80 000 kW 

Erfassungsintervall 

Kostenansatz 

(Bereitstellung) 

15 min 35,00 €/kW 

5 min 35,00 €/kW 

1 min 35,00 €/kW 

Verbrauchswert 

(Mittelung) 

16% → 12 800 kW 

17% → 13 600 kW 

14% → 11 200 kW 

18% → 14 400 kW 

7% → 5 600 kW 

28% → 22 400 kW 

Gesamt 

448 T€ 

476 T€ 

392 T€ 

504 T€ 

196 T€ 

784 T€ 

Arbeitspreis 7,2 Ct/kWh 20 Mio. kWh 1 440 T€ 

Verhaltens der Anlage und die Zuordnung der Daten 

aus dem Monitoring zu den Teilprozessen, siehe Bild 4. 

Mit der Interpretation der ermittelten Prozessdaten ist 

eine weitgehende energetische Bewertung des Anlagenverhaltens 

möglich. 

Eine Reduktion des Lastgangs beziehungsweise eine 

Lastflexibilisierung ist in diesem Fall mit einem intelligenten 

Lastmanagement gegeben. Dieses ermöglicht 

es, die Steuerung von energieintensiven Anlagensegmenten 

gezielt zu beeinflussen. Mögliche Strategien 

sind nach [2]: 

1 | forced start (erzwingt Betriebszustand) 

2 | forced interrupt (erzwingt Unterbrechung) 

3 | forced state change (initiiert Zustandswechsel) 

Diese Strategien sind anwendbar, wenn wenige oder 

eine überschaubare Anzahl von Lastspitzen während 

eines Erfassungsintervalls auftreten. Das ist im Bereich 

des CT aufgrund der hohen Komplexität und Anzahl 

der beteiligten Systeme schwer umsetzbar. Zudem muss 

eine Abschaltung von energieintensiven Anlagenkomponenten 

im aktiven Umschlagprozess vermieden werden. 

Der Ansatz greift nur auf Information aus dem 

Anlagenbestand zurück und ist in dieser Form nicht 

skalierbar. Ein Nachteil dieser Vorgehensweise ist die 

stets in die Vergangenheit gerichtete Betrachtung des 

Anlagenverhaltens. Somit reicht diese Herangehensweise 

für die Gestaltung künftiger Lösungen nicht aus. 

Der Schwerpunkt neuer Lösungen liegt in der Vorhersagbarkeit 

(Prognose des Energiebedarfs) und automatisierten 

Anpassung des Verhaltens der Anlagen an die 

Rahmenbedingungen. Hierzu müssen weitere Möglichkeiten 

der Einflussnahme näher betrachtet werden. 

4. ERWEITERTER LÖSUNGSANSATZ 

Für die Erweiterung des Lösungsansatzes bietet sich 

zunächst die Analyse eines realen Umschlagprozesses 

an. In den Bildern 5 und 6 werden dazu vereinfacht der 

Transport eines Containers entlang einer Trajektorie 

und zugehörige Messdaten für eine überlagerte Fahrt 

ausgewiesen. Es ist ersichtlich, dass eine Vielzahl von 

Möglichkeiten der Fahrbewegungen je Containerbrücke 

(Katzwerk, Hubwerk, Fahrwerk) existieren. Abhängig 

von der Art der Nutzung (bemannt/bedienerlos) und 

der gewählten Trajektorie ergeben sich unterschiedliche 

Lastgänge. 

Exemplarisch werden im Beitrag Messdaten eines realen 

Containerumschlags (Eurogate/HHLA) verwendet. 

Im Anwendungsfall, siehe Bild 6 wird eine Last (49,5 t) 

auf einer Trajektorie mit einer maximalen Hubbewegung 

(Bild 6-1) von 30 m und einem Fahrweg (Bild 6-3) von 90 m 

transportiert. Der Umschlagprozess erfolgt zeitoptimal 

mit einer maximalen Überlagerung der Fahrbewegungen. 

Der für den Umschlagprozess erforderliche 

Ressourcenbedarf wird normiert für die Referenzfahrt 

in Bild 6-2 und 6-4 ausgewiesen. Für nachfolgende Betrachtungen 

wird der Verlauf des Lastganges der CB 

(Bild 6-5) der Referenzfahrt verwendet. Eine weitergehende 

Detailierung wird nicht vorgenommen. 

Da am Umschlagprozess eine Vielzahl von CB beteiligt 

sind, erfolgt eine Erweiterung der Umgebung auf 16 CB 

mit der Übertragung des Lastgangs (Bild 6-5) auf diesen 

Bereich. Dieser Fall repräsentiert den Einsatz von jeweils 

4 CB an 4 Containerschiffen. Weitere am Umschlagprozess 

beteiligte Systeme werden nicht betrachtet. 

Dieser Anwendungsfall wird zunächst ohne zeitliche 

Koordinierung der Startzeitpunkte für die CB simu- 


10 / 2014 

27

HAUPTBEITRAG 

liert. Die Umschlagprozesse werden mit einem geringen 

zeitlichen Versatz gestartet. Das Ergebnis der Simulation 

unter Nutzung der realen Messdaten zeigt Bild 7-1. 

In diesem Fall kommt es zu einer starken Ausprägung 

von Lastspitzen. Ursache sind die unkoordinierte Fahrweise 

und freie Nutzung (ohne Beschränkungen) der 

Anlagenbereiche. Dieses Verhalten muss durch Maßnahmen 

kompensiert werden. 

Betrachtet wird zunächst, wie eine Variation der 

Startzeitpunkte den Gesamtlastgang und die zu erwartenden 

Lastspitzen beeinflusst. Die Reduktion der Lastspitzen 

ist für die Auslegung der Regelleistung der 

Energieversorger wesentlich. 

Da viele Faktoren den Umschlagprozess und den Ressourcenbedarf 

beeinflussen, ist eine analytische Aufbereitung 

des Sachverhaltes im ersten Schritt zu aufwendig. 

Es erfolgt aus diesem Grund die Anwendung 

der Monte-Carlo-Simulation. Auf Basis der Messdaten 

der realen Referenzfahrt, siehe Bild 6-5, wird eine Simulation 

mit 16 CB mit dem Ziel der Lastglättung 

durchgeführt. Sie erfolgt mit einer Gleichverteilung 

und der Variation der Startzeitpunkte der Umschlagprozesse. 

Mit den Ergebnissen der Simulation, siehe 

Bild 7-2 wird nachgewiesen, dass sich bereits mit der 

Variation der Startzeitpunkte der Effekt der Lastglättung 

und Dämpfung der Lastspitzen erzielen lässt. Für 

eine weitergehende Beeinflussung des Lastganges, neben 

der Synchronisation der Startzeitpunkte, stehen 

für die Steuerstrategien folgende Möglichkeiten zur 

Verfügung: 

Einschränkung der Freiheitsgrade (unter anderem 

Beschränkung der Ressourcen) 

Beliebige Segmentierung der Trajektorie 

Variation der Zeitphasen des Umschlagprozesses 

(zum Beispiel Heben, Senken) 

Parametervariation (beispielsweise Geschwindigkeit, 

Beschleunigung) 

Diese Möglichkeiten der Einflussnahme wurden an der 

Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin in einer 

eigenständigen Lösung aufbereitet und auf der vorhandenen 

Laborkrananlage (Hubhöhe 2,7 m, Fahrweg 6 m) 

für eine Vielzahl von Lastprofilen verifiziert. Bereits im 

Entwurfsprozess wurde darauf geachtet, dass die Lösung 

universell für Umschlagprozesse mit seilgeführten 

Systemen einsetzbar ist. Mit der Verwendung 

von normierten Lastprofilen (Bahnverlauf) ist dies gegeben. 

Diese können in beliebige Segmente unterteilt 

und parametriert werden. 

Im realen Anwendungsfall des Containerumschlages 

werden die erforderlichen Daten für die Konfiguration 

der Lastprofile den zugehörigen Be- und Entladeplänen 

entnommen. Die hieraus generierten Lastprofile können 

übergeordnet den beteiligten CB als Fahrplan zur Verfügung 

gestellt werden. Auf den jeweiligen CB kann 

anschließend eine weitere Optimierung des Ressourcenbedarfs 

erfolgen. Das ist notwendig, da mit der Verwendung 

von normierten Lastprofilen nicht alle Möglichkeiten 

der Optimierung vorab berücksichtigt werden. 

Eine Überprüfung der Prognose (Ressourcenbedarf) 

erfolgt auf Basis der zum Einsatz kommenden 

Komponenten der jeweiligen CB. Ob die gewählten 

Strategien die beabsichtigte Wirkung erreichen, ist mit 

der erzielten Energieeffizienz abbildbar. Für diese sind 

Kennzahlen/Metriken erforderlich, die die Voraussetzung 

für den Vergleich mit Referenzlösungen bilden. 

Für den Betreiber eines CT ist der Umschlag/Tag beziehungsweise 

Zeit/Umschlag ausschlaggebend. Mit 

dem möglichen Bezug auf den Ressourcenbedarf einer 

CB ergeben sich vergleichbare Daten. Im Anwendungsfall 

fließen der Transportweg der Last, die aufgewendete 

Zeit und genutzte Energie in die energieorientierte 

Bewertung ein, siehe Bild 8. Zudem ist der Umschlagprozess 

geprägt von der Lastmasse, sowie der Auslegung 

und der Parametrierung der Anlagenbestandteile. 

5. STEUERSTRATEGIEN 

Es muss untersucht werden, welche Möglichkeiten es 

gibt, die Strategien der Lastflexibilisierung zu unterstützen, 

und ob der erforderliche Engineeringaufwand 

vertretbar ist. Hier bieten sich mehrere Ansätze an, die 

im Beitrag nur im Ansatz erläutert werden. 

Bemannte Nutzung: 

Für den Anwendungsfall der bemannten Nutzung einer 

CB ergeben sich Möglichkeiten der Limitierung der Parameter 

und Ressourcen. Verwendete Nutzungsprofile 

werden entsprechend der Rahmenbedingungen über 

Schnittstellen fortlaufend angepasst. Diese können Aspekte 

der Priorisierung von Transportaufträgen beinhalten. 

Ein höchstpriorisierter Transportauftrag, siehe 

Bild 9, wird unabhängig von energetischen Beschränkungen 

abgearbeitet. Dies bedeutet, dass der Anlagenbereich 

bis an seine Grenzen für Geschwindigkeit (v), 

Beschleunigung (a) und belastungsintensiv genutzt 

werden darf. Es erfolgt eine Reservierung der notwendigen 

Ressourcen. Niederpriorisierte Transportaufträge 

werden in ihrer Ressourcennutzung beschränkt. 

Dieser Vorgang setzt eine eindeutige Abschätzbarkeit 

des Bedarfs voraus. Es können jedoch auch Ressourcen 

vom entsprechenden Anlagenbereich blockiert werden. 

Mit einer zielgerichteten Freigabe der Ressourcen kann 

dieser Fall reduziert werden. 

Bedienerlose Nutzung: 

Mit der bedienerlosen Führung der CB ist dieser Aspekt 

der unzureichenden Ressourcennutzung überschaubar, 

da eine Prognose zum jeweiligen Anlagenverhalten gegeben 

ist. Hieraus lassen sich Merkmale zur energieorientierten 

Prozessführung und deren Bewertung ableiten. 

So ist eine Parametrierung der Anlage nach 

energetischen und zeitlichen Gesichtspunkten oder 

ihrer Belastung möglich. Ebenso ist eine Prognose der 

Rückspeisung (Bereitstellung von Ressourcen) realisierbar. 

Es ergeben sich somit die Voraussetzungen für 

eine energieorientierte Synchronisation der Anlagenbestandteile. 

Möglichkeit der Unterstützung: 

Eine Variante der Unterstützung der gewählten Strategien 

ist mit Agentensystemen möglich. Diese erhalten 

28 


10 / 2014

Teilprozess 1 

Teilprozess 2 

Teilprozess 3 

... 

Teilprozess n 

Anlage / Instrumentierung 

Monitoring 

Datenerfassung 

Teilprozess (n) 

Anlagenbereich 

Ressourcebedarf 

Prozesssteuerungssystem 

Systemidentifikation 

BILD 4: Systemidentifikation und Ressourcenbedarf 

25 

50 0 

0 10 20 30 40 50 60 70 80 

Zeit [s] 

100 

0 

BILD 6: Referenzfahrt 

Zeit [s] 

BILD 6-1: 

Pos. Hubwek [m] 

BILD 6-2: 

Strom Hubwerk [%] 

80 

0 

0 10 20 30 40 50 60 70 

Zeit [s] 

80 

BILD 6-3: 

Pos. Katzwerk [m] 

sequentielle 

Fahrt 

100 

0 

0 20 30 4 0 60 70 80 

BILD 6-4: 

Strom Katzwerk [%] 

überlagerte 

Fahrt 

2000 

0 

BILD 6-5: 

Strom Brücke [A] 

Katzwerk 

Fahrwerk 

BILD 5: Containerumschlag 

– Lastprofil 

Hubwerk 

unoptimiert 

20000 

−10000 

Bahn-Weg 

max. 

min. 

Entnahme 

Energie 

min. 

max. 

max. 

überlagert 

optimiert 

sequenziell 

min. 

Rückspeisung 

−10000 

150 200 250 300 350 400 450 

Zeit [s] 

Verbr. Schiff 1..4 (überlagert) [A] 

Verbr. Schiff 1..4 (Durchschn. 1 min) [A] 

Zeit 

max. 

Masse 

BILD 7: Mögliche Szenarien für Kompensationsmaßnahmen 

(Plot 1 und 2) 

BILD 8: Abhängigkeiten der 

Energieeffizienz (vereinfacht) 


10 / 2014 

29

HAUPTBEITRAG 

Priorität 

[1] 

[2] 

[2] 

[3] 

Containerbrücken (CB) 

CB [1] 

CB [2] 

CB [3] 

CB [4] 

Ressource 

Zeit 

max. 

Ressourcenanteil 

Energie 

max. 

CB 

[2] 

CB 

[4] 

CB 

[1] 

CB 

[3] 

Limit (v,a) 

die Aufgabe, einen virtuellen Lastgang (Ressource) entsprechend 

der anstehenden Transportaufträge (Fahrplan) 

zu verwalten. Dies bedeutet, dass die beteiligten 

Systeme einen virtuellen Verbund zum Transportauftrag 

bilden und sich untereinander hinsichtlich der 

Ressourcenzuteilung verständigen. Das ist nur möglich, 

wenn eine Fehlerprognose erfolgt und das Prognosemodell 

auf Basis von historischen Daten fortlaufend 

angepasst wird. 

Eine weitere Möglichkeit, künftige Strategien des 

Lastmanagements zu unterstützen, sind Serviceschnittstellen 

für die dynamische Prozessführung und Parametrierung. 

Diese müssen so ausgelegt werden, dass 

eine Beeinflussung der energieintensiven Bereiche erzielt 

wird. Im Anwendungsfall, siehe Bild 10, sind dies: 

CB 

[1] 

CB 

[2] 

CB 

[3] 

CB 

[4] 

CB 

[1] 

CB 

[2] 

CB 

[3] 

CB 

[4] 

BILD 9: 

Priorisierung 

und Ressourcen 

Startzeitpunkte/Laufzeit der Phasen 

Energiebedarf während der Nutzung 

Grad der überlagerten Fahrweise 

Parameterabgleich 

[Übergänge] [Übergänge] 

[Phasen] T2 . . . T2T5. . . T5 [Modul] [Modul] 

[Phasen] 

it Last mit Last 

mit Last 

T1 T1 

Container T6 T6 Katzwerk Katzwerk 

... T11 . . T11 Koordinaten 

. T8. . . T8 

ne Last ohne Last 

T12 

BILD 10: Koordination Transportauftrag 

[Übergänge] 

T2 . .. .. 

. 

T5 

Hubwerk Hubwerk 

r g Transportauräge 

der Anpassung Katzwerk 

der Katzwerk 

Transportauräge 

eorienerter Abgleich Abgleich 

Energieorienerter Abgleich 

s TA-Los (Koordinaten, (Koordinaten, 

Anforderung 

l, Zeitpunkte,...) 

Profil, Zeitpunkte,...) 

Bestägung 

] 

) 

T12 

T7 

Steuerdaten 

Quiierung 

Aurag Status 

Quiierung Diagnose 

Status 

Diagnose 

Containerbrücke e (n) 

Hubwerk Hubwerk 

ohne Last 

T7 

Komp.-Schnistellen 

Erweiterung 

... 

Service Service Ebene Ebene 

[Containerbrücke] 

[Modul [Modul (n)] (n)] 

Parameter 

Steuerdaten 

Parameter Aurag 

TA-Los (Koordinaten, 

Profil, Zeitpunkte,...) 


Erweiterung 

Status 

Diagnose 

- 

Status Aurag 

Diagnose Quiierung 

Parameter Aurag 

Quiierung 

Steuerdaten 

Parameter 

Steuerdaten 

Geschwindigkeitsprofil 

Lastprofil 

Opmierung Opmierung 

Kontrolle Synchronisaon 

Kontrolle Verhalten Verhalten 

T1 

T6 

T11 . .. .. 

. 

T8 

T12 

T7 

Service Ebene 

[Modul (n)] 

[Modul] 

Katzwerk 

Hubwerk 

Hubwerk 

Katzwerk 

Parameter 

Steuerdaten 

Aurag 

Quiierung 

Status 

Diagnose 



Parameter 

Steuerdaten 

Aurag 

Quiierung 

Status 

Diagnose 

- 

Geschwindigkeitsprofil 

Opmierung 

Kontrolle Verhalten 

TA-Transportaurag 

rgang 

[Zwischenkreis T1 

[Zwischenkreis ..T12 Zeitpunkt 

/ Rückspeisung] / Rückspeisung] - Übergang 

akv akv 

[Zwischenkreis / Rückspeisung] akv 

Mit deren Modellierung ist es möglich, Anforderungen 

zu Art und Umfang der Nutzung der CB zu berücksichtigen. 

Das kann eine Optimierung des Umschlags hinsichtlich 

Zeit, Energie, einer Kombination oder Belastung 

der Anlage sein. Die notwendige Information 

kann entweder auf der externen Serviceeinheit hinterlegt 

oder vom jeweiligen Anlagensegment angefordert 

werden. Im aktiven Umschlagprozess erfolgt zudem 

eine Überwachung der Folgeeigenschaften. Das führt 

zu Aussagen, ob weitere Anpassungen erforderlich 

sind. Einen vereinfachten Überblick über das diesem 

Beitrag zugrundeliegende Modell liefert Bild 10. 

FAZIT / AUSBLICK 

Mit der Dezentralisierung der Energieversorgung sind 

Strategien gefragt, die eine gezielte Lastflexibilisierung 

ermöglichen. Die Art und Dauer der Lastbeeinflussung 

sind, neben der Abstimmung des Verhaltens der Systeme, 

von wesentlicher Bedeutung. Hierzu bedarf es einer 

systematischen Prozessanalyse, einer anlagen- und anwendungsgerechten 

Modellierung und deren energetischer 

Bewertung. Bei der Modellerstellung sind vor 

allem die Schnittstellen für die korrekte Informationsübermittlung 

zu betrachten. Diese müssen eine flexible 

Parametrierung ermöglichen. 

Am Beispiel des Containerumschlags wurde deutlich, 

dass eine Synchronisation der technologischen 

Prozesse für die Reduktion der Lastspitzen und des 

Ressourcenbedarfs erforderlich ist. Unter den genannten 

Voraussetzungen sind intelligente Steuerstrategien 

zur energieorientierten Prozessführung umsetzbar. 

Dies betrifft komplexe Industrieanlagen und lässt sich 

ebenso auf weitere Anwendungsbereiche im industriellen 

Umfeld übertragen. 

MANUSKRIPTEINGANG 

25.04.2014 

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet 

30 


10 / 2014

REFERENZEN 

[1] Koch, S., Zima, M., Andersson, G.: Potentials and 

applications of coordinated groups of thermal household 

appliances for power system control purposes. In: Proc. 

IEEE PES/IAS Conference on Sustainable Alternative 

Energy (SAE), S. 1-8 IEEE 2009 

[2] Lünsdorf, O.: Selbstorganisation virtueller Geräte 

für das Lastmanagement von Kleinverbrauchern. 

Dissertation, Universität Oldenburg, 2012 

[3] Schäfer, S., Berger, U., Schöttke, D., Kämpfe, T.: Das 

Zeitverhalten verteilter Anlagen. atp edition - Automatisierungstechnische 

Praxis 54 (10), S. 36–43, 2012 

[4] Schäfer, S., Berger, U., Schöttke, D., Kämpfe, T.: Technical 

conditions for the use of autonomous systems. 

In: Proc. 8th IEEE International Conference on Emerging 

Technologies and Factory Automation (ETFA), S 1-9 [CD], 

IEEE 2013 

[5] HHLA Container Terminal Altenwerder. 

(http://hhla.de/de/container/altenwerder-cta.html) 

[6] Canonaco, P., Legato, P., Mazza, R. M.: An integrated 

simulation model for channel contention and berth 

management at a maritime container terminal. 

In: Proc. 21st European Conference on Modelling and 

Simulation (ECMS), S. 353-362, ECMS 2007 

[7] Gambardella, L. M., Mastrolilli, M., Rizzoli, A. E., 

Zaffalon, M.: An optimization methodology for intermodal 

terminal management. Journal of Intelligent 

Manufacturing 12 (5-6), S. 521–534, 2001 

[8] Clausen,U., Kaffka,J., Meier, F.: CONTSIM-Container 

terminal management with simulation. Procedia-Social 

and Behavioral Sciences 54 (2012), S. 332–340, 2012 

[9] Van Zijverden, R., Negenborn, R.: Survey of approaches 

for integrated control of intermodal container terminals. 

In: Proc. 9th IEEE International Conference on Sensing 

and Control (ICNSC), S. 67-72, IEEE 2012 

[10] Ngo, Q. H., Hong, K.-S.: Sliding-mode antisway control 

of an offshore container crane. IEEE/ASME Transactions 

on Mechatronics 17 (2), S. 201–209, 2012 

[11] Ifland, M., Warweg, O., Westermann, D.: Smart metering in 

the context of liberalized energy markets. In: Proc. 6th International 

Workshop on Deregulated Electricity Market Issues 

in South-Eastern Europe (DEMSEE), S. 1-6, ilemedia 2011 

[12] Tran, T. Nahavandi, S. Reid, R.: Design of electrical 

infrastructure at container terminal and net metering: 

In: Proc. 6th IEEE International Conference on 

Power Quality and Supply Reliability Conference (PQ), 

S. 37-40, IEEE 2008 

AUTOREN 

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

seit 2010 an der HTW Berlin. Zu seinen Forschungsschwerpunkten 

zählen die Modellierung 

und der Einsatz komplexer Automatisierungssysteme, 

verteilte Echtzeitsysteme und die 

Ergonomie- und Gestaltungsanforderungen an 

Scada und HMI-Oberflächen. 

HTW Berlin, FB1, 

Wilhelminenhofstr. 75A, D-12459 Berlin, 

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

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

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

im Studiengang Elektrotechnik der HTW 

Berlin und im Bereich Prozesssteuerungssysteme 

tätig. Zu seinen Arbeitsgebieten gehören die 

Analyse, der Entwurf und die Entwicklung von 

SW-Lösungen für Anwendungen in der Industrieund 

Gebäudeautomation. 


Wilhelminenhofstr. 75A, D-12459 Berlin, 

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

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

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

seit 2001 den Lehrstuhl für Automatisierungstechnik 

und ist seit 2011 Mitglied des Fakultätsrates 

der Fakultät Maschinenbau, Elektrotechnik 

und Wirtschaftsingenieurwesen an der Brandenburgische 

Technische Universität Cottbus. 

BTU Cottbus, Lehrstuhl AT, 

Postfach 101344, D-03013 Cottbus, 

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

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

M.Eng. THOMAS KÄMPFE (geb. 1983) ist 

wissenschaftlicher Mitarbeiter an der HTW 

Berlin. Zu seinen Forschungsschwerpunkten 

gehören die Modellierung und der Einsatz 

von komplexen Automatisierungssystemen. 


Wilhelminenhofstr. 75A, 

D-12459 Berlin, 

Tel. + 49 (0) 30 50 19 36 11, 

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


10 / 2014 

31

HAUPTBEITRAG 

Redundante Kommunikation 

für industrielle Automation 

Zur Entwicklung aktueller stoßfreier Redundanzlösungen 

Dieser Beitrag präsentiert die Abbildung der Redundanzprotokolle PRP, HSR in 

Kombination mit IEEE-1588-Zeitsynchronisation auf eine konfigurierbare CPU/ 

FPGA-basierte RedBox-Architektur. Kernfunktionen von PRP, HSR und IEEE 1588 

werden auf ein Field Programmable Gate Array (FPGA) abgebildet. Die CPU setzt 

Steuerungsaufgaben um. Ein optionaler Standard-Switch-ASIC stellt die direkte 

Kommunikation zu den Netzwerkgeräten her. Frames geringer Größe werden vom 

FPGA bis zu zweimal schneller weitergeleitet als bei anderen Umsetzungen. Die 

Uhrzeitsynchronisation der RedBoxen erfolgt auf 30 ns genau. Die RedBox kann in 

zeitsynchronisierte industrielle Netzwerke integriert werden, um die Zuverlässigkeit 

der Kommunikation zu erhöhen. 

SCHLAGWÖRTER Redundanzprotokolle PRP und HSR / Zeitsynchronisation / 

IEEE 1588 

Redundant Communications – 

Recent Development of Seamless Redundancy Approaches 

This paper presents the mapping of the redundancy protocols PRP, HSR in combination 

with IEEE 1588 clock synchronization onto a configurable CPU/FPGA based 

RedBox architecture. Whereas core functions of PRP, HSR and IEEE 1588 are mapped 

onto the FPGA, a CPU executes the control parts of these protocols. A standard 

switch ASIC provides direct connection to several network devices. Minimum size 

frames are forwarded by the FPGA at up to twice the speed of other implementations. 

Connected PRP/HSR RedBoxes and an IEEE 1588 clock master synchronize 

to within 30 ns. The RedBox can be integrated into time-synchronized industrial 

networks in order to improve the communications reliability. 

KEYWORDS redundancy protocols / PRP / HSR / clock synchronization / IEEE 1588 

32 


10 / 2014

HOLGER FLATT, JÜRGEN JASPERNEITE, Fraunhofer IOSB-INA 

JOACHIM RAUCHFUSS, Yacoub Automation 

Die Hauptanforderungen an eine Datenübertragung 

in Netzen der Automatisierungstechnik 

bestehen in einer schnellen, sicheren 

mit eingebauter Redundanz versehenen und 

zeitsynchronen Kommunikation [1]. Dabei 

dürfen keine Daten verloren gehen. Zuverlässige Verkabelungen 

und Topologien sind unabdingbar. In heutigen 

Anwendungen laufen die Daten über zwei separate, 

unabhängige Leitungen, sodass die Übertragung 

sichergestellt ist, auch wenn eine der Leitungen beschädigt 

oder gestört ist. Im Normalfall kommen so 

zwei Datenpakete beim Empfänger an. Eine Redundanzlösung 

analysiert diese Datenpakete in Echtzeit 

und löscht mögliche Duplikate. Solche Redundanzmechanismen 

müssen vom Netzwerk auf allen Fabrikebenen 

von der Feldebene bis zur Steuerungszentrale 

zur Verfügung gestellt werden, um die Anforderungen 

an einen möglichst unterbrechungsfreien Prozessbetrieb 

zu gewährleisten. 

Um eine Redundanzplattform für die hochverfügbare 

Kommunikation beim Einsatz verschiedener Topologien 

in den in der Automatisierung etablierten Ethernet-Netzwerken 

zu schaffen, wurden in den vergangenen 

Jahren im Standard IEC 62439-3 die Redundanzprotokolle 

Parallel Redundancy Protocol (PRP) und 

High Availability Seamless Redundancy (HSR) definiert. 

Bei bisher in der Automatisierungstechnik eingesetzten 

Redundanzverfahren wie (R)STP oder MRP 

muss im Redundanzfall eine kurzzeitige Verbindungsunterbrechnung 

(

HAUPTBEITRAG 

BILD 2: Frame-Struktur: a) PRP und b) HSR 

BILD 1: PRP/HSR-Beispielnetzwerk bestehend aus 

Endknoten, RedBoxen und Switches 

PRP/HSR-Duplikatverarbeitung reduziert die Netzlast, 

da mehr Frame-Duplikate von den RedBoxen verworfen 

werden. Darüber hinaus können aktuelle RedBoxen mit 

konfigurierbaren Parametern mit geringem Entwicklungsaufwand 

auf verschiedene Hardware-Plattformen 

abgebildet werden. Zeitkritische Aufgaben sind komplett 

in der Hardware implementiert, um das Zeitverhalten 

der RedBoxen zu optimieren. 

Das in diesem Beitrag vorgeschlagene Konzept beinhaltet 

beides, die PRP/HSR/IEEE-1588-Hardware-Architektur 

und die Implementierung einer kostengünstigen 

eingebetteten Hardware-Plattform. 

1. PROTOKOLLE 

Im Folgenden werden die Protokolle PRP, HSR und IEEE 

1588 beschrieben. Genauere Informationen enthalten 

die Definitionen der Standards [3] und [4]. 

1.1 PRP und HSR 

Die Protokolle PRP und HSR basieren auf dem parallelen 

Versenden von Ethernet-Frames über zwei voneinander 

unabhängige Netzwerke. Die Duplikate der 

gesendeten Frames müssen vom Empfänger erkannt 

und verworfen werden. Standard-Ethernet-Frames enthalten 

die Zieladresse (DST), die Quelladresse (SRC), 

einen optionalen VLAN-Tag (VLAN), den Ethertype 

(ET), die Payload (LOAD) und die Prüfsumme (FCS). 

Um das Erkennen der Frame-Duplikate zu unterstützen, 

verlängern die Protokolle PRP und HSR die Ethernet-Frames 

um ein spezielles PRP- beziehungsweise 

HSR-Tag. Wie Bild 2 zeigt, fügt das PRP-Protokoll den 

PRP-Tag direkt vor der Prüfsumme ein und HSR-Frames 

schließen den HSR-Tag vor dem Ethertype ein. 

Frame-Duplikate werden erkannt und entfernt, wenn 

ein PRP- oder HSR-Knoten innerhalb von einem 

400-ms-Zeitintervall zwei oder mehr Frames mit derselben 

Quelladresse und PRP/HSR-Sequenznummer 

(SEQ NR) empfängt. 

Die RedBoxen ermöglichen Standard-Ethernet-Geräten 

eine Redundanz gemäß PRP/HSR. Eine RedBox 

umfasst drei Ethernet-Ports [3]. Mindestens einer der 

Host-Ports H ist für den Anschluss von Ethernet-Endgeräten 

vorgesehen. Eine Verbindung mit einem redundanten 

Netzwerk lässt sich über die redundanten Ports 

R0 und R1 vornehmen. 

Eine RedBox im PRP-Modus verwirft nur die Duplikate 

am Host-Port. Um zu vermeiden, dass Daten in 

einem HSR-Ring zirkulieren, muss die Entfernung von 

Duplikaten am Host-Port und den redundanten Ports 

s t a t t fi n d e n . 

34 


10 / 2014

Sync-Frame von der Slave-Uhr (C) empfangen wird, 

berechnet sich wie folgt: 

t M,3 

= t M,0 

+ t PDelay,AB 

+ t Bridge,B 

+ t PDelay,BC 

Um die genaue Master-Zeit t M,3 

ermitteln zu können, 

wird ein Kompensationsmechanismus angewendet. 

Dazu messen PTP-Geräte die einzelnen Peer-Delays 

t PDelay 

mit ihren angeschlossenen Nachbarn durch den 

Austausch von Peer-Delay-Messages [4]. Danach werden 

die gemessenen Peer- und Bridge-Delays in einem 

Correction-Field innerhalb des Sync-Frames akkumuliert. 

Da die lokale Ankunftszeit des Sync-Frames t S,3 

durch den Slave gemessen wird, kann die Synchronisation 

erfolgen, indem die Slave-Uhr t S 

um den Wert 

t M,3 

-t S,3 

inkrementiert wird. 

2. PRP/HSR-REDBOX 

BILD 3: IEEE 1588 basierte Zeitsynchronisation 

Das Precision Time Protocol (PTP), das im Standard 

IEEE 1588 definiert ist, bietet Mechanismen für 

die Uhrzeitsynchronisation von Netzwerkgeräten. 

Eine Master-Uhr sendet zyklisch Synchronisations- 

Frames (Sync), die hochpräzise Zeitinformationen 

enthalten. Andere Geräte empfangen diese Frames 

und synchronisieren ihre lokalen Uhren t S 

mit der 

Master-Uhr t M 

. 

Der Standard umfasst mehrere Modi und Transportmechanismen. 

In Kombination mit PRP und HSR ist 

nur der Modus Peer-to-Peer-Transparent-Clock relevant 

[3], der über Ethernet auf OSI-Schicht 2 transportiert 

wird. Bild 3 visualisiert das Synchronisationsprinzip 

für ein einfaches PTP-Netzwerk, welches eine Master- 

Uhr (A), eine transparente Uhr (B) und eine Slave-Uhr 

(C) enthält. 

Die Master-Uhr beginnt die Übertragung eines Sync- 

Telegramms zur Master-Zeit t M,0 

. Im Falle einer One- 

Step-Clock ist der genaue Zeitstempel t M,0 

Bestandteil 

des Sync-Frames. Aufgrund der Latenzzeit t PDelay,AB 

, die 

durch den Ethernet-Transceiver und die Verbindungsleitung 

zwischen (A) und (B) verursacht wird, empfängt 

das Gerät (B) den Sync-Frame zur Zeit t M,1 

. Das Weiterleiten 

des Sync-Frames von dem Eingangs- zu dem 

Ausgangs-Port von (B) verursacht das Bridge-Delay 

t Bridge,B 

. Daher leitet das Gerät (B) den Sync-Frame erst 

zur Zeit t M,2 

weiter. Die aktuelle Master-Zeit, zu der der 

Wie in der IEC 62439-3 [3] und in [11] gezeigt, ist eine 

Kombination von FPGA und CPU ein geeigneter Ansatz 

für die RedBox-Implementierung. Zur Reduzierung der 

Leistungsanforderungen der CPU wird die gesamte 

Frame-Weiterleitung einschließlich des Verwerfens von 

PRP- und HSR-Frame-Duplikaten auf das FPGA abgebildet. 

Weniger häufig ausgeführte Aufgaben, wie das 

Senden von speziellen Kontroll-Frames oder Konfigurationsfunktionen, 

werden von der CPU ausgeführt. 

In Bezug auf das PTP-Protokoll müssen präzise Zeitstempel 

von eingehenden und ausgehenden Synchronisierungs-Frames 

in Hardware implementiert werden [4]. 

Außerdem benötigt die Korrektur von One-Step-Sync- 

Frames während der Übertragung eine Hardware-Implementierung 

einer lokalen Uhr. Frames, die von der 

RedBox gesendet werden müssen, wie Peer-to-Peer- 

Delay-Requests (PDelay-Request) für die Leitungsverzögerungsmessung, 

werden von der CPU generiert. Die 

entsprechende Zeitstempelinformation wird von der 

Hardware beim Verlassen des ausgehenden Ports der 

RedBox aktualisiert. 

2.1 Plattformarchitektur 

Bild 4 zeigt die vorgeschlagene flexible Plattformarchitektur. 

Um eine PRP/HSR-RedBox mit mehreren Host- 

Ports zu realisieren, sind drei Hauptkomponenten erforderlich: 

1. FPGA: Aufgrund der erforderlichen Leistung und 

Flexibilität ist ein FPGA eine geeignete Technologie für 

die RedBox-Implementierung der gewünschten Protokolle 

PRP, HSR und IEEE 1588. 

2. Switch: Wenn die Anbindung von mehr als einem 

Ethernet-Endgerät am Host-Port erforderlich ist, muss 


10 / 2014 

35

HAUPTBEITRAG 

ein Switch genutzt werden. Da kommerzielle leistungsfähige 

Switches erhältlich sind, ist es vorteilhaft, die 

Switch-Funktionen auf einen externen kostengünstigen 

ASIC-Switch auszulagern [12]. In Abhängigkeit von den 

verfügbaren externen Schnittstellen des Switch-ASICs 

kann die Verbindung über Physical Ethernet Transceivers 

(PHYs) (1) oder über einen direkten Anschluss auf 

Media-Access-Control-Schicht (MAC) (2) realisiert werden, 

falls eine geeignete Schnittstelle vorhanden ist. 

Verbindungen über die MAC-Schicht sind aufgrund der 

niedrigen Kommunikationslatenzen und der direkten 

Datenübertragung ohne PHY-Module vorteilhaft. 

3. CPU: Eine CPU mit Netzwerkzugriff ist erforderlich 

zur Umsetzung von High-Level-Bestandteilen der gewünschten 

Protokolle und anderer Aufgaben wie der 

RedBox-Konfiguration. Daher ist die Verbindung des 

RedBox-Kerns und der CPU eine weitere wichtige Eigenschaft 

des Designs. Die Anzahl der Bauteile lässt 

sich gering halten, wenn eine Softcore-CPU (zum Beispiel 

Altera NIOS II oder Xilinx Microblaze) auf das 

FPGA abgebildet und direkt mit der RedBox auf der 

MAC-Schicht verbunden wird (3). Allerdings ist zu berücksichtigen, 

dass die Rechenleistung dieses Ansatzes 

beschränkt ist. Als Alternative sind externe CPUs von 

Vorteil, da sie in verschiedenen Leistungsklassen zur 

Verfügung stehen und entsprechend der Anforderungen 

der Anwendung gewählt werden können. Sie können 

über PHYs (4) oder über die MAC-Schicht (5) angeschlossen 

werden. Wenn ein ASIC-Switch mit integrierter 

CPU mit dem FPGA verbunden ist, kann diese 

CPU die Software-Funktionen des Switches und der 

RedBox ausführen. In diesem Fall wird keine weitere 

RedBox-CPU benötigt. 

2.2 RedBox-Architektur 

In [2] ist eine RedBox-Architektur dargestellt, die das 

HSR-Protokoll und den Grundmechanismus von IEEE 

1588 implementiert. Da die Kernfunktionen der Architektur, 

wie Tabellen und Speicher, über Parameter konfigurierbar 

sind, wird als Kompromiss zwischen Funktionalität 

und Ressourcen eine flexible Anpassung der 

Hardware ermöglicht. Daher wird diese Architektur 

erweitert, um die gewünschte PRP/HSR-RedBox mit 

IEEE-1588-Unterstützung zu implementieren. Bild 5 

zeigt die Kernarchitektur der RedBox basierend auf [2]. 

erste Board beinhaltet ein Marvell FireFoxAV 88E7251 

Switch-ASIC mit einer eingebetteten 400-MHz-CPU 

und Speichern [13]. 

Der Switch-ASIC besitzt vier Fast-Ethernet-Ports und 

ein externes MII-Interface. Die CPU läuft mit einem 

Linux 2.6 Kernel und unterstützt die Ausführung von 

weiterer Firmware, speziell für alle Software-Funktionen 

der jeweiligen PRP/HSR-RedBox. 

Ein zweites FPGA-Board wurde entwickelt, das direkt 

auf das Switch-Board gesteckt werden kann. Dieses 

Board unterstützt die Nutzung von zwei unterschiedlichen 

FPGA-Typen (Altera Cyclone IV EP4CGX75 und 

EP4CGX150). Ebenso wie das Switch-Board werden vier 

Fast-Ethernet-Ports und ein externes MII-Interface mit 

dem FPGA verbunden. Bild 6 stellt ein Blockschaltbild 

sowie ein Foto der resultierenden RedBox-Geräteumsetzung 

dar. 

3. ERGEBNISSE 

Um die Verilog-Implementierung auf das FPGA der entwickelten 

Hardware-Plattform [13] abzubilden, wird 

das Tool Altera Quartus 12.1 genutzt. Wie in Tabelle 1 

gezeigt, werden verschiedene Konfigurationen mit unterschiedlichen 

Duplikatfiltergrößen und VLAN-Prioritäts-Queues 

synthetisiert. In Abhängigkeit von der 

verfügbaren FPGA-Größe zeigen die ersten beiden Konfigurationen 

die Ergebnisse mit der maximal möglichen 

Duplikatfiltergröße. Die letzten beiden Konfigurationen 

sind für eine Minimierung von FPGA-Ressourcen optimiert. 

Für alle Konfigurationen ist der Systemtakt auf 

100 MHz konfiguriert. Die Größe der Proxy-Node-Table 

ist auf 512 Einträge festgelegt, um die Anforderungen 

der IEC 62439-3 zu erfüllen [3]. 

Die Ergebnisse zeigen, dass das Cyclone IV EPCGX150 

FPGA Duplikatfiltergrößen bis 8192 und 4 VLAN-Prioritäts-Queues 

pro Port unterstützt. Wird die maximale 

Duplikatfiltergröße um den Faktor 2 reduziert, ist es 

möglich, die Architektur auf ein Cyclone IV EP4CGX75 

abzubilden. Wenn eine der beiden letzten Konfigurationen 

ausgewählt wird, kann eine weitere Softcore-CPU 

(zum Beispiel Altera NIOS II) ebenfalls auf das FPGA 

abgebildet werden, um einen Betrieb ohne Switch- 

Board zu unterstützen. Während der Verarbeitung beträgt 

die Verlustleistung der Cyclone IV-basierten Dual- 

Board RedBox 4,8 Watt und in Single-Board Konfiguration 

2,4 Watt. 

2.3 Hardware-Plattform 

Industrielle Anwendungen der RedBox benötigen kosteneffiziente 

Hardware-Plattformen, die vorzugsweise 

auf kostengünstigen FPGA basieren. Um alle Switch/ 

CPU/FPGA-Kombinationen nach Bild 4 zu unterstützen, 

wird ein Dual-Board-Ansatz implementiert. Das 

3.1 PRP/HSR 

Der folgende Abschnitt untersucht die erarbeitete Red- 

Box-Architektur im Vergleich mit zwei kommerziellen 

Vergleichsgeräten A und B. Da unterschiedliche Hardware- 

und Firmware-Versionen das Verzögerungsverhalten 

beeinflussen können, wird im Beitrag auf eine 

36 


10 / 2014

BILD 4: Flexibles 

Plattformkonzept der 

PRP/HSR-RedBox 

BILD 5: 

RedBox- 

Architektur 

BILD 6: Switch/FPGA-basierte RedBox: 

Blockschaltbild und Geräteumsetzung 

FPGA 

DUPLIKAT- 

FILTERGRÖSSE 

VLAN- 

PRIORITÄTS- 

QUEUES 

LOGIKELE- 

MENTE 

SPEICHER 

EP4CGX150 8192 4 52404 575 KB 

EP4CGX75 4096 4 52707 413 KB 

EP4CGX75 512 4 52066 273 KB 

EP4CGX75 512 1 44092 129 KB 

TABELLE 1: Syntheseergebnisse: 4-Bit-Logikelemente 

(LEs) und eingebetteter Speicher 


10 / 2014 

37

HAUPTBEITRAG 

schen den Ankunftszeiten entspricht dem Bridge-Delay 

der RedBox. Die Ethernet-Nutzdaten werden auf Größen 

zwischen 64 und 1500 Bytes gesetzt. Reguläre Ethernet-Frames 

werden zu den Host-Ports gesendet, wohingegen 

an die redundanten Ports PRP-Frames gesendet 

werden. Zusätzlich wird die Zeitverzögerung zwischen 

Frames, die an die redundanten Ports R 0 

und R 1 

gesendet 

werden, vom Testaufbau aus Bild 7 b) gemessen. Die 

erhaltenen Ergebnisse in µs sind in Tabelle 2 zusammengefasst. 

Diese und die nachfolgenden Ergebnisse 

sind für alle Konfigurationen aus Tabelle 1 gültig. 

Im Falle von Frames mit minimaler Länge erzielt das 

vorgeschlagene Konzept (Single- und Dual-Board) die 

kürzesten Verzögerungszeiten. Wenn die Dual-Board- 

RedBox Frames zwischen R 0/1 

und H i 

weiterleitet, werden 

die Verzögerungszeiten durch den zusätzlichen 

Store-and-Forward-Mechanismus des Switch-ASICs 

um den Faktor 2 erhöht. Die Ergebnisse der RedBox B 

beinhalten die Verzögerungszeit und den Jitter der an- 

BRIDGE 

DELAY 

REDBOX 

A 

REDBOX 

B 

Typenangabe der Vergleichsgeräte verzichtet. Die Ergebnisse 

für die RedBox werden für eine Konfiguration 

mit vier Host-Ports ermittelt, indem das Switch-Board 

(Dual-Board) genutzt wird. Zusätzlich wird eine weitere 

Konfiguration mit einem Host-Port ohne Einsatz 

des Switch-Boards (Single-Board) validiert. 

Wie in Bild 7 gezeigt, werden zwei Aufbauten untersucht. 

In allen Fällen sendet ein Frame-Generator (Anritsu 

MX123001A) spezifische Frames an die RedBox. 

Ein PC empfängt die Ergebnisse. Um die fiberoptischen 

Ports R 0 

und R 1 

der RedBox B zu verbinden, werden 

Small-Form-Factor-Pluggable-Transceiver (SFP) und 

Medienkonverter benutzt. 

Der Testaufbau aus Bild 7 a) wird verwendet, um Verzögerungen 

zwischen den RedBox-Ports zu messen. Die 

Test-Frames vom Frame-Generator werden vom Switch 

dupliziert und gleichzeitig weitergeleitet. Einer der Frames 

wird direkt durch eine Zeitstempeleinheit geführt, 

das Duplikat dagegen zur RedBox. Die Differenz zwi- 

DUAL- 

BOARD 

SINGLE- 

BOARD 

H → R 0/1 

15-132 36-385 14,3-247 6,7-123 

H i 

→H j 

15-132 13-130 7,7-124 – 

R 0/1 

→H 16-132 36-385 15-247 7,3-123 

Differenz 

R 0/1 

< 1,2 < 0,25 < 0,002 < 0,002 

BILD 7: Testaufbauten für RedBox-Auswertung 

TABELLE 2: Zeitverhalten der RedBoxen 

im PRP-Modus, alle Werte in µs 

BILD 8: Synchronisation von RedBoxen: a) Topologie und b) Ergebnis 

38 


10 / 2014

geschlossenen Medienkonverter. Im Gegensatz zu den 

Geräten A und B sendet die vorgeschlagene RedBox die 

Frames R 0/1 

fast simultan. 

3.2 IEEE 1588 

Die Synchronisationsgenauigkeit der RedBoxen wird 

durch einen Testaufbau bestehend aus einem IEEE- 

1588-Clock-Master (Meinberg M400), drei RedBoxen 

(Single-Board) und einem Oszilloskop (Agilent Technologies 

MSO9254A) gemessen, wie in Bild 8 a) dargestellt. 

Die RedBoxen befinden sich im Modus HSR. RB1 

und RB3 sind nicht miteinander verbunden, um einen 

Leitungsbruch zu simulieren, welches die Ungenauigkeit 

in RB3 maximiert. Das Oszilloskop tastet die PPS- 

Signale auf allen Geräten ab. Das PPS-Signal des Clock- 

Masters wird benutzt, um eine fünf Minuten dauernde 

Messung zu triggern. Im Falle einer optimalen Synchronisation 

gibt es keinen Offset zwischen den PPS-Signalen 

der RedBoxen und dem Master. Die Ergebnisse 

in Bild 8 b) bestätigen, dass alle RedBoxen mit einem 

Jitter < 30 ns synchronisiert sind. Weitere Messergebnisse 

finden sich in [14]. 

3.3 PRP/HSR-Netzwerkuntersuchung 

Basierend auf Bild 1 wurde ein exemplarisches Profinet-RT-Automatisierungsnetzwerk 

erstellt. Zwei Ethernet-Switches, 

zwei Dual-Board-RedBoxen, vier Single- 

Board-RedBoxen, eine RedBox A und eine RedBox B 

einschließlich fiberoptischen Medienkonvertern stellen 

die Redundanz zur Verfügung. Die nachfolgenden 

Geräte sind in sechs Endgerätgruppen gegliedert und 

bestehen aus den Geräten Phoenix Contact RFC470 Profinet 

Controller, 24 KW Software TPS-1 Profinet Devices, 

8 Siemens ET200S Profinet Devices, eine Web- 

REFERENZEN 

[1] Gaj, P., Jasperneite, J., Felser, M.: Computer Communication 

within Industrial Distributed Environment - 

a Survey. IEEE Trans. on Industrial Informatics 9(1), 

S. 182–189, 2013 

[2] Flatt, H., Schriegel, S., Neugarth, T., Jasperneite, J.: 

An FPGA based HSR Architecture for Seamless Profinet 

Redundancy. In: Proc. Int. Workshop on Factory 

Communication Systems (WFCS), S. 137–140. IEEE 2012, 

doi: 10.1109/WFCS.2012.6242555 

[3] IEC 62439-3: Industrial Communication Networks - High 

Availability Automation Networks - Part 3: Parallel 

Redundancy Protocol (PRP) and High-availability 

Seamless Redundancy (HSR). 2012 

[4] IEEE 1588: Standard for a Precision Clock Synchronization 

Protocol for Networked Measurement and Control 

Systems. 2008 

[5] Araujo, J., Lazaro, J., Astarloa, A., Zuloaga, A., Garcia, 

A.: High Availability Automation Networks: PRP and HSR 

Ring Implementations. In: Proc. Int. Symp. on Industrial 

Electronics (ISIE), S. 1197–1202. IEEE, 2012, doi: 

10.1109/ISIE.2012.6237259 

[6] Institute of Embedded Systems: High Availability, PRP 

and HSR. http://www.ines.zhaw.ch, 2013 

[7] Siemens: Industrial Ethernet Switches SCALANCE 

X204RNA, SCALANCE X204RNA EEC: Betriebsanleitung, 

Dokument A5E03741330-01, 2012 

[8] Hirschmann: Managed RSP switches, RSP25- 

11003Z6TTSCCV9HPE2R01.0. Produktinformation, 2012 

[9] Flexibilis Oy: Flexibilis Ethernet Switch - High-availability 

Seamless Redundancy. Product brief, 2011 

[10] RuggedCom: HSR/PRP Solutions for Industrial Ethernet 

Networks. http://www.ruggedcom.com, 2013 

[11] Kirrmann, H., Honegger, C., Ilie, D., Sotiropoulos, I.: 

Performance of a Full-Hardware PTP Implementation 

for an IEC 62439-3 Redundant IEC 61850 Substation 

Automation Network. In: Proc . Int. Symp. on Precision 

Clock Synchronization for Measurement Control and 

Communication (ISPCS), S. 1–6. IEEE, 2012, doi: 10.1109/ 

ISPCS.2012.6336631 

[12] Flatt, H., Schriegel, S., Jasperneite, J., Schewe, F.: An 

FPGA based Approach for the Enhancement of COTS 

Switch ASICs with Real-Time Ethernet Functions. In: 

Proc. Int. Conf. on Emerging Technologies & Factory 

Automation (ETFA), S. 1-4. IEEE, 2012, doi:10.1109/ 

ETFA.2012.6489776 

[13] Yacoub: Ice Chicken Development Boards. 

www.yacoub.de, 2014 

[14] Flatt, H., Schriegel, S., Jasperneite, J.: Reliable 

Synchronization Accuracy in IEEE 1588 Networks Using 

Device Qualification with Standard Test Patterns. In: Int. 

Symp. on Precision Clock Synchronization for Measurement, 

Control, and Communication (ISPCS), IEEE, 2013, 

doi: 10.1109/ISPCS.2013.6644772 


10 / 2014 

39

HAUPTBEITRAG 

AUTOREN 

Dr.-Ing. HOLGER FLATT (geb. 1979) 

studierte Elektrotechnik an der 

Leibniz Universität Hannover. Von 

2004 bis 2011 arbeitete und promovierte 

er an der Leibniz Universität 

Hannover. Seit 2011 ist er Mitarbeiter 

am Fraunhofer IOSB-INA in Lemgo. 

Seine Tätigkeit als Gruppenleiter 

Eingebettete Systeme für die Automation 

umfasst unter anderem den Entwurf eingebetteter 

Systeme für die industrielle Automation. 

Fraunhofer IOSB-INA 

Anwendungszentrum Industrial Automation, 


Tel. +49 (0) 5261 942 90 31, 

E-Mail: holger.flatt@iosb-ina.fraunhofer.de 

Prof. Dr.-Ing. JÜRGEN JASPERNEITE 

(geb. 1964) leitet das Fraunhofer 

Anwendungszentrum Industrial 

Automation und das Institut für 

industrielle Informationstechnik 

der Hochschule OWL in Lemgo. 

Er studierte Elektrotechnik und 

promovierte an der OVG Universität 

Magdeburg im Bereich der Echtzeitkommunikation. 

Sein Forschungsgebiet liegt in der 

intelligenten Automation. 

Fraunhofer IOSB-INA 

Anwendungszentrum Industrial Automation, 


Tel. + 49 (0) 5261 70 25 72, 

E-Mail: juergen.jasperneite@iosb-ina.fraunhofer.de 

Prof. Dr. JOACHIM RAUCHFUSS 

(geb. 1950) studierte Informationstechnik 

an der TH in Chemnitz. Er 

arbeitete als Entwicklungsingenieur 

am Institut für Nachrichtentechnik 

in Berlin. Rauchfuß erwarb die 

Professur in der Prozessmesstechnik 

an der Beuth Hochschule für Technik 

in Berlin. Sein Forschungsgebiet 

ist die Kommunikation in der Automatisierungstechnik. 

cam, ein PC und eine Meinberg M400. Die Webcam 

generiert zusätzliche Netzlast (10 MBit/s). Der RFC470 

Controller ändert zyklisch die Ausgänge aller Profinet- 

Geräte. 

Interoperabilität wird von allen RedBoxen ermöglicht. 

Die Profinet-Geräte verbinden sich automatisch mit 

dem RFC470 und beginnen mit der Datenverarbeitung. 

Die Webcam überträgt störungsfrei Videodaten an den 

PC. Redundante Netzwerkverbindungen können zu jeder 

Zeit ohne Einfluss auf die Geräteoperationen getrennt 

werden. 

FAZIT 

In diesem Beitrag wurde ein Konzept zur Umsetzung 

einer stoßfreien Ethernet-Redundanz vorgestellt. Dieses 

basiert auf den Protokollen PRP, HSR und IEEE 1588. 

Das Ziel ist, Flexibilität zur Verfügung zu stellen, um 

verschiedene kostengünstige FPGA-Plattformen einsetzen 

zu können. Dies wird insbesondere durch konfigurierbare 

Funktionen erreicht. Weiterhin wird eine industrielle 

Dual-Board-Plattform präsentiert, die aus 

einem FPGA, einem Switch-ASIC und einer eingebetteten 

CPU besteht. 

Eine Single-Board-RedBox ohne Switch-ASIC implementiert 

alle zeitkritischen Tasks in Hardware. Besonders 

im Falle von Frames mit minimaler Größe – relevant 

in industriellen Echtzeit-Protokollen – sind die 

Weiterleitungszeiten um einen Faktor von mindestens 

2 kleiner im Vergleich zu den beiden anderen analysierten 

kommerziell verfügbaren RedBoxen. 

Die Dual-Board-RedBox stellt vier Host-Ports zur Verfügung, 

wobei Weiterleitungszeiten durch den Switch- 

ASIC vergrößert werden. Das Konzept ist nicht auf den 

Profinet-Testfall limitiert. Auch andere industrielle 

Ethernet-Protokolle können von PRP, HSR und IEEE 

1588 profitieren. 


28.02.2014 


Yacoub Automation GmbH, 

Gustav-Meyer-Allee 25, D-13355 Berlin, 

Tel. +49 (0) 30 34 99 83 40, 

E-Mail: joachim.rauchfuss@yacoub.de 

40 


10 / 2014

Der Klassiker für die 

Prozessautomation geht 

ins 21. Jahrhundert 

Handbuch der Prozessautomatisierung 

Das Handbuch der Prozessautomation ist ein Standardwerk für die Planung 

verfahrenstechnischer Anlagen. In der 5., überarbeiteten Version geht es auf 

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Brief, Fax, E-Mail) oder durch Rücksendung der Sache widerrufen. Die Frist beginnt nach Erhalt dieser Belehrung in Textform. 

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

Versandbuchhandlung, Friedrich-Ebert-Straße 55, 45127 Essen. 


PAHBPA2014 



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

HAUPTBEITRAG 

Zustandsüberwachung 

und Performanzprognose 

Datenbasierte Verfahren für komplexe Industrieanlagen 

Für die Prozessüberwachung und Fehlerdiagnose gibt es bereits viele datenbasierte 

Verfahren. Im Gegensatz zu modellbasierten Verfahren bietet der datenbasierte Ansatz 

die Möglichkeit, ein statistisches Modell aus historischen Daten zu ermitteln, 

um anspruchsvolle und hochkomplexe Industrieanlagen zu überwachen. Verfahren 

zur Performanzprognose von Industrieanlagen führen die Gedanken der datenbasierten 

Zustandsüberwachung konsequent weiter und eröffnen neue Möglichkeiten, 

fehlertolerante Systeme und Anlagen zu entwickeln. Es wurden unterschiedliche 

Industrieprozesse mittels datenbasierter Verfahren unter der Zielstellung der Fehlererkennung 

und -lokalisation sowie der Performanzprognose analysiert. Die Leistungsfähigkeit 

datenbasierter Verfahren wird anhand von Messdaten von Windkraftanlagen 

und einer Industrieanlage dargestellt. 

SCHLAGWÖRTER Fehlererkennung / Hauptkomponentenanalyse / 

Reconstruction-based Contribution / Performanzprognose / 

Singular Spectrum Analysis 

Condition Monitoring and Performance Prognosis – 

Data-driven Methods for Complex Industrial Systems 

Many data-driven techniques have been developed and applied for industrial process 

monitoring and fault diagnosis. In contrast to model-based methods, data-driven 

approaches can provide efficient process monitoring for sophisticated and highly 

complex modern industry machines by extracting statistical models based only on 

historical process data. Various technical systems are investigated in this project, 

in which data-driven methods are studied with real process data for fault detection, 

fault identification and performance prognosis. The performance of data-driven 

methods is considered with examples of an industrial process and a wind energy 

conversion system. 

KEYWORDS diagnosis / principal component analysis / reconstruction-based 

contribution / performance prognosis / singular spectrum analysis 

42 


10 / 2014

MINJIA KRÜGER, Universität Duisburg-Essen 

TORSTEN JEINSCH, Universität Rostock 

PETER ENGEL, PC-Soft 

STEVEN X. DING, Universität Duisburg-Essen 

ADEL HAGHANI, Universität Rostock 

Die führenden Industrienationen unternehmen 

große Anstrengungen, um die Sicherheit, Verfügbarkeit 

und Leistung von komplexen technischen 

Systemen und Anlagen stetig zu erhöhen. 

Dieser Prozess fußt auf der frühzeitigen 

Erkennung von Fehlern, Ausfällen und steigenden Risiken, 

um mit Hilfe der Prozessführung zielgerichtete 

Maßnahmen einzuleiten, wie zum Beispiel Wartungsund 

Instandhaltungsarbeiten zur Vermeidung und Reduzierung 

von Anlagenstillstandszeiten. 

Klassische post-mortem-Strategien und der Einsatz 

zusätzlicher Sensorhardware können die notwendige 

Qualität einer frühzeitigen Erkennung selten gewährleisten. 

Moderne modellbasierte Verfahren auf der Basis 

einer physikalischen Systemmodellierung sind oft 

für komplexe industrielle Prozesse sehr schwierig und 

unrentabel zu handhaben. Diesen Anforderungen wird 

aktuell mit Hilfe von datengestützten multivariaten 

Verfahren begegnet. Hierbei wird in einer Offlinetrainingsphase 

der nominale und fehlerfreie Betriebszustand 

aus historischen Daten extrahiert und durch ein 

statistisches Modell abgebildet. Im Onlinebetrieb werden 

die gemessenen Daten mit dem nominalen und 

fehlerfreien Systemzustand, vorliegend als statistisches 

Modell, verglichen und ausgewertet. 

In der Anlagenindustrie und bei komplexen industriellen 

Prozessen genießen datengestützte Methoden 

zur Überwachung und Fehlerdiagnose eine hohe Akzeptanz 

[9]. Diese fußt auf folgenden Punkten: 

Für datengestützte Ansätze sind keine physikalischen 

Modelle erforderlich. 

In einer Offlinetrainingsphase wird der nominale 

und fehlerfreie Betriebszustand aus historischen 

Daten extrahiert und durch ein statistisches Modell 

abgebildet. Bei Prozessveränderungen kann 

durch wiederholtes Offlinetraining eine Adaption 

an das geänderte Prozessverhalten vorgenommen 

sowie an verschiedene industrielle Prozesse angepasst 

werden. 

Im Gegensatz zur verbreiteten univariaten Methode 

wird bei den datengestützten multivariaten Methoden 

die Korrelation zwischen den Betriebsmessdaten 

berücksichtigt. 

Diese datengestützten Verfahren eignen sich für 

den Umgang mit hochdimensionalen Datenmengen. 

Da oft wenige Komponenten der Messdaten relevant 

für die Überwachung und Fehlerdiagnose 

sind, werden Verfahren herangezogen, um die Datenmenge 

nach ihrer Bedeutung beziehungsweise 

nach der Abweichung der Menge in dieser Dimension 

zu klassifizieren [9]. Die so ausgewählten Daten 

bilden alle relevanten Prozesscharakteristiken 

mit einer deutlich reduzierten Datendimension ab 

und verlangen in der Onlinemonitoringphase weniger 

Berechnungsressourcen. 

Aufgrund dieser Argumente sind datengestützte multivariate 

Verfahren eine kosteneffektive Alternative 

für die industrielle Prozessüberwachung und Fehlerdiagnose. 

Eine intensive Untersuchung von datengestützten 

multivariaten Verfahren erfolgte bislang mit dem Fokus 

der Leistungsverbesserung zur Fehlererkennung 

und Identifikation (fault detection and isolation, FDI) 

[2]. Neben den betrachteten Fehlfunktionen ist jedoch 

die Performanzverschlechterung ein weiterer entscheidender 

Aspekt, der den Verlust von Kapazität und 

Verfügbarkeit einer industriellen Anlage bestimmt. 

Mit einem übergeordneten Performanz-Monitoring 

und einer effektiven Bestimmung der Restlebensdauer 

(remaining useful life, RUL) von Schlüsselkomponenten 

lassen sich effiziente Instandhaltungsmaßnahmen 

vorschlagen und rechtzeitig im Voraus durchführen. 

Daher widmet sich dieser Beitrag datengestützten 

multivariaten Ansätzen zur Überwachung und Performanzprognose 

von komplexen industriellen Anlagen. 

Bild 1 zeigt eine vereinfachte schematische 

Darstellung des vorgeschlagenen Ansatzes. Er enthält 

5 grundlegende Schritte: Prozessüberwachung, Erkennung 

und Lokalisierung der Degradation, Merkmalextraktion, 

Merkmalprognose und Lebensdauerschätzung. 


10 / 2014 

43

HAUPTBEITRAG 

BILD 1: Schematische 

Darstellung der datengestützten 

Überwachung und 

Performanzprognose [7, 8] 

BILD 2: Grundlegende Signalzusammensetzung [8] 

1. METHODEN 

Die entwickelten und eingesetzten Methoden werden in 

den folgenden Abschnitten näher vorgestellt. Ausführliche 

Information und die analytischen Grundlagen sind 

der angeführten Literatur zu entnehmen [1, 3, 4, 6, 9]. 

1.1 Prozessüberwachung 

Für die Prozessüberwachung gibt es viele datenbasierte 

Verfahren. Sie eignen sich auch für den Umgang mit 

hochdimensionalen Daten. Hierbei werden die Daten 

unter Beibehaltung der Prozesscharakteristiken in einen 

niederdimensionalen Raum projiziert [2]. Im Beitrag 

wird das Standard-Hauptkomponentenanalyseverfahren 

(principal component analysis, PCA) zum Zweck der 

Prozessüberwachung eingesetzt. Die Anzahl der berücksichtigten 

Messstellen ist m. 

Nachfolgend sind die wesentlichen Schritte des Offlinetrainingsprozesses 

zum Standard-PCA-Verfahren 

aufgeführt: 

Datenerfassung und Normierung: Für jede der m 

Messstellen erfolgt die Verarbeitung von N Datensätzen 

des Normalbetriebs und die Zusammenfassung 

zur Originaldatenmatrix . Der Mittelwert 

μ und die Standardabweichung jeder 

Messstelle werden berechnet und im System gespeichert. 

Die Normierung der Originaldatenmatrix 

X verfolgt das Ziel, die resultierende Matrix Z 

mit dem Mittelwert = 0 und der Standardabweichung 

= 1 zu bestimmen. Als Ergebnis der 

Normierung entsteht die Datenmatrix 

. 

Berechnung der Eigenwerte und Eigenvektoren: 

Zuerst wird die Kovarianzmatrix gebildet. Die 

Eigenwerte und -vektoren werden mit Hilfe der 

Eigenwertzerlegung bestimmt: 

, (1) 

wobei 

eine Diagonalmatrix ist, die 

die Eigenwerte in absteigender Größe enthält 

. In der orthogonalen Ma- 

44 


10 / 2014

trix P sind die Eigenvektoren zu den geordneten 

Eigenwerten 

von enthalten. l beschreibt 

die Anzahl der Hauptkomponenten, die 

sich mit Hilfe des in [5] vorgeschlagenen Kriteriums 

ermitteln lassen. Damit erfolgt die Aufteilung des 

m-dimensionalen Raums von P und in zwei Unterräume 

(Unterraum der Hauptkomponenten 

und Unterraum der Residuen ): 

Bestimmung der Schwellwerte: Für die Prozessüberwachung 

können grundsätzlich zwei Kennwerte 

angewendet werden, Squared Prediction Error (SPE) 

sowie die Hotelling -Verteilung. Mit dem gegebenen 

Signifikanzniveau werden die entsprechenden 

Schwellwerte mit folgenden Formeln berechnet: 

wobei die normierte Abweichung entsprechend 

des oberen Perzentils darstellt und 

gilt. 

Die Onlineüberwachung und -diagnose setzt sich aus 

den folgenden Schritten zusammen: 

Fehlererkennung 

Datennormierung: Mit Mittelwert μ und Standardabweichung 

vom Offlinetraining erfolgt die Normierung 

des neuen Onlineprozessdatensatzes. 

Ermittlung der Indizes: Für einen normierten Datenvektor 

, können die entsprechenden Indizes 

zu SPE und Hotellings T 2 mit den folgenden 

Gleichungen berechnet werden: 

Fehlererkennungslogik: 

und 

fehlerfrei, ansonsten fehlerbehaftet. 

(2) 

(3) 

(4) 

(5) 

(6) 

(7) 

(8) 

(9) 

(10) 

Fehlerlokalisierung 

Sollte eine Abweichung vom Normalzustand bei der 

Prozessüberwachung festgestellt werden, dann kann 

mittels Berechnung der Reconstruction-based Contribution 

(RBC) [1] der Beitrag der fehlerhaften Komponente 

zum berechneten statistischen Index bestimmt und die 

den Fehler verursachende Komponente oder der fehlerhafte 

Sensor lokalisiert werden. Die RBC der SPE- und 

Hotellings-T 2 -Indizes werden mit den folgenden Formeln 

ermittelt: 

(11) 

(12) 

wobei der Richtungsvektor entlang der i-ten Messstelle 

ist, 

, der der i-ten Spalte der Einheitsmatrix 

entspricht. Variablen, die die 

größten Fehleranteile aufweisen, werden als fehlerbehaftete 

Variablen lokalisiert [5]. 

1.2 Merkmalextraktion und Performanzprognose 

Nachdem die fehlerhafte Komponente mit Hilfe der RBC 

identifiziert wurde, erfolgen weitere Untersuchungen 

auf Basis der Singular Spectrum Analysis (SSA) mit dem 

Ziel der Merkmalextraktion und -prognose. Weist mehr 

als ein Signal auf eine mögliche Performanzminderung 

hin, wird für die Merkmalextraktion die Multivariate 

Singular Spectrum Analysis (MSSA) [3] angewandt. 

Die SSA basiert auf der Singulärwertzerlegung (singular 

value decomposition, SVD) und ist eine modellfreie 

Methode der Zeitreihenanalyse und Prognose. 

Hier werden die Elemente der klassischen Zeitreihenanalyse, 

der multivariaten Statistik, der dynamischen 

Systeme und Signalverarbeitung miteinander kombiniert. 

Mit der SSA wird das ursprüngliche Signal in 

eine geringe Anzahl von Komponenten zerlegt, die als 

Trend, Oszillation und Rauschen interpretiert werden 

können. 

In Bild 2 ist eine grundlegende Signalzusammensetzung 

aus den drei Bestandteilen Trend, Oszillation und 

Rauschen dargestellt. Durch die Gruppierung in unterschiedlich 

variierende Komponenten kann der Trend 

des ursprünglichen Signals extrahiert werden. Mit Hilfe 

des auf der SSA fußenden Prognosealgorithmus kann 

das extrahierte Merkmal vorhergesagt werden [3]. Die 

Basis-SSA setzt sich aus folgenden Schritten zusammen: 

Zerlegung: Ausgangspunkt ist eine Zeitreihe 

der Länge N mit einer definierten 

Fensterlänge L unter der Voraussetzung 

1

HAUPTBEITRAG 

(13) 

wobei K=N–L+1 und X i =(f i-1 , … ,f i+L–2 ) T mit 1≤i≤K 

ist. Dabei stellt die Matrix X eine Hankel-Matrix 

dar. Sind die Länge der Zeitreihe N und die Fensterlänge 

L fest, so gibt es eine Entsprechung zwischen 

der Hankel-Matrix und der Zeitreihe. Nach 

Anwendung der Singulärwertzerlegung auf die 

Matrix X kann die Trajektorie geschrieben werden 

als: 

(14) 

mit 

und 

. sind die Eigenwerte der Matrix 

S=XX T , die in absteigender Reihenfolge 

mit den zugehörigen Eigenvektoren 

U 1 , … ,U L korrespondieren. Der Ausdruck 

wird als i-ter Eigentripel der Matrix 

X bezeichnet. Nach der Definition 

mit (i=1, … ,d) kann die Singulärwertzerlegung 

der Trajektorien-Matrix X wie folgt formuliert 

werden: 

X=X 1 + … +X d . (15) 

Rekonstruktion: In diesem Schritt werden die 

elementaren Matrizen X i (i=1, … ,d) in m disjunkte 

Untergruppen I 1 , … ,I m unterteilt. Korrespondiert 

die Gruppe I={i 1 , … ,i p } der Matrix X I 

mit der Gruppe I so wird X I =X i1 + … +X ip d e fi - 

niert. Diese Matrizen ergeben für I=I 1 , … ,I m mit 

der Gleichung (15): 

X=X I1 + … +X Im (16) 

Die Anwendung der diagonalen Mittelwertbildung 

(Einzelheiten zum Verfahren der diagonalen 

Mittelwertbildung finden sich in [3].) 

auf die Matrix X IK , ergibt die Zeitreihe 

. Die ursprüngliche Zeitreihe 

ist somit in die Summe von m 

einzelnen Zeitreihen zerlegt: 

Datenspur Beschreibung Messstelle Komponente Einheit 

1 

2 

3 

4 

5 

6 

7 

Generator Lager 1 

Temperatur 

Generator Lager 2 

Temperatur 

Generator Ständer 

Temperatur 

Getriebe Lager 1 

Temperatur 

Getriebe Lager 2 

Temperatur 

Getriebe Öleinlass 

Temperatur 

Getriebe Ölsumpf 

Temperatur 

Generator °C 

Generator °C 

Generator °C 

Getriebe °C 

Getriebe °C 

Getriebe °C 

Getriebe °C 

8 Getriebe Drehzahl Getriebe min -1 

9 Generator Drehzahl Generator min -1 

BILD 3: Sensorfehlererkennung und 

-lokalisierung 

10 Anker Drehzahl Anker min -1 

TABELLE 1: Liste verwendeter Prozessgrößen 

der Windkraftanlage 

46 


10 / 2014

. (17) 

Der SSA-Prognosealgorithmus wird zum Zweck 

der Merkmalvorhersage fortlaufend angewandt. 

Ausgehend von der originalen Zeitreihe 

wird die rekonstruierte 

Zeitreihe 

betrachtet. Der Vektor 

enthält die ersten L–1 Komponenten 

und π die übrigen Komponenten U i. Durch Definition 

von 

, mit 

, erfolgt eine fortlaufende 

M-Schritt-SSA-Signalvorhersage 

wie folgt [3]: 

(18) 

Restnutzungsdauerschätzung 

Auf der Basis verfügbaren Prozesswissens können 

erfahrene Systemingenieure und Anlagenfahrer 

Schwellwerte zur Bewertung von gewonnen Degradationssignalen 

ermitteln. Der Vergleich dieser vordefinierten 

Schwellwerte mit den gewonnenen Degradationssignalen 

ermöglicht schließlich die Abschätzung 

der Restnutzungsdauer der untersuchten Systemkomponenten. 

2. ANWENDUNGSERGEBNISSE DER VERFAHREN 

Die Validierung der Verfahren zur Zustandsüberwachung 

wurde an Windkraftanlagen und zur Performanzprognose 

an Prozessen der Anlagenindustrie untersucht. 

Im Folgenden werden ausgewählte Ergebnisse 

dargestellt und erläutert. 

2.1 Fehlererkennung und -lokalisierung 

Die Anwendung des vorgestellten Konzeptes zur Fehlererkennung 

und -lokalisierung erfolgte an Windkraftanlagen 

gleichen Typs. Für die dargestellte Bewertung der 

Leistungsfähigkeit des erläuterten Konzeptvorschlags 

sind die ausgewählten Prozessgrößen laut Tabelle 1 der 

Windkraftanlagen herangezogen worden. Die Abtastrate 

betrug im vorliegenden Fall 10 Minuten. 

Entsprechend der klassischen Unterteilung möglicher 

Fehlerursachen wurden Sensorfehler und Prozessfehler 

bezüglich der Erkennung und Lokalisierung 

untersucht. 

Sensorfehlererkennung und -lokalisierung 

Dem Instandhaltungsbericht ist ein Fehlerzustand des 

Sensors der Datenspur 5 (Temperatursensor Getriebe 

Lager 2) zum Abtastzeitpunkt 2240 zu entnehmen. 

Die Prozessüberwachung auf der Basis des SPE-Index 

weist eine signifikante Überschreitung des Schwellwertes 

bereits zum Abtastzeitpunkt 2237 und somit die 

Anzeige eines fehlerhaften Betriebszustandes auf. Die 

Berechnung der RBC auf Basis der SPE-Indizes führte 

zur Lokalisierung der Fehlerursache. Als Ergebnis wies 

die Datenspur 5 den größten Fehleranteil auf, sodass 

auf einen Sensorfehler an der Temperaturmessstelle 

Getriebe Lager 2 geschlossen wurde. 

BILD 4: Prozessfehlererkennung und 

-lokalisierung 

Prozessfehlererkennung und -lokalisierung 

Dem Instandhaltungsbericht ist ein Fehlerzustand im 

Kühlsystem des Getriebes zum Abtastzeitpunkt 1155 zu 

entnehmen. 

Die Prozessüberwachung auf der Basis des T 2 -Index 

weist eine signifikante Überschreitung des Schwellwertes 

bereits zum Abtastzeitpunkt 1154 auf, sodass 

ein fehlerhafter Betriebszustand signalisiert wurde. Die 

Suche nach der Fehlerursache wurde durch die Berechnung 

der RBC auf Basis der T 2 -Statistik durchgeführt. 

Als Ergebnis zeigten die Datenspuren 5 (Getriebe Lager 

2 Temperatur), 6 (Getriebe Öleinlass Temperatur) und 7 

(Getriebe Ölsumpf Temperatur) vergrößerte - 


10 / 2014 

47

HAUPTBEITRAG 

BILD 6: Lokalisation mit Reconstructionbased 

Contribution 

BILD 5: Prozessüberwachung mit 

Principal Components Analysis 

BILD 7: 

Hauptkomponenten 

des Signals 1 

Anteile, was auf einen Systemfehler im Bereich des Getriebes 

hinwies. Auf der Grundlage dieser Lokalisierungsinformation 

wurden anschließend gezielte Untersuchungen 

der Systemkomponenten im Getriebe vorgenommen. 

2.2 Performanzprognose 

Die verwendeten Daten zur Validierung des Algorithmus 

der Performanzprognose entstammen einem Extrusionsprozess 

der Anlagenindustrie. Das untersuchte Fördergerät 

arbeitet nach dem Funktionsprinzip eines Schneckenförderers, 

der dickflüssige Substanzen unter hohem 

Druck und hoher Temperatur gleichmäßig aus einer 

formgebenden Öffnung herauspresst. Die mechanischen 

Komponenten des Schneckenförderers, wie beispielsweise 

Welle, Lager, Getriebe und Schnecke, unterliegen 

aufgrund der vorliegenden Einsatzbedingungen sehr 

starkem Verschleiß. 

Für die Durchführung der Performanzprognose standen 

unterschiedliche Druck- und Temperaturmessdaten 

mit einer Zykluszeit von 2 Stunden zur Verfügung. 

Die Ergebnisse der Onlineüberwachung auf Grundlage 

des SPE- und T 2 -Index zeigt Bild 5. Der SPE-Index 

weist tendenzielle Signalveränderungen bereits zum 

48 


10 / 2014

BILD 8: 

Merkmalextraktion 

mit Singular 

Spectrum Analysis 

BILD 9: Performanzprognose mit 

Singular Spectrum Analysis 

Abtastzeitpunkt 178 und der T 2 -Index zum Abtastzeitpunkt 

250 auf. Die signifikante Überschreitung des 

berechneten Schwellwertes erfolgt durch den SPE-Index 

zum Abtastzeitpunkt 374 und durch den T 2 -Index 

zum Abtastzeitpunkt 365. Beide Indizes weisen sehr 

früh eine deutliche Drift im Signalverlauf auf. 

Die anschließende Lokalisierung auf der Basis von SPEund 

T2-Index mit dem RBC-Algorithmus zeigt Bild 6. Die 

Ergebnisse beider Indizes weisen deutlich auf die Signale 

1 und 6 hin, die ursächlich für die signifikante 

Drift der untersuchten Indizes verantwortlich sind. 

Zur Veranschaulichung des weiteren Vorgehens fokussieren 

sich die nachfolgenden Untersuchungen ausschließlich 

auf das Signal 1. Die Detektion des Trends 

aus diesem Signal erfolgt durch eine Signalzerlegung 

mit der gewählten Fensterlänge L=300 sowie einer anschließenden 

Signalrekonstruktion mit Hilfe der SSA. 

Die Zerlegung des Signals 1 in einzelne Hauptkomponenten 

ist exemplarisch im Bild 7 dargestellt. 

Den jeweils extrahierten Trend anhand der Signalrekonstruktion 

von PC1 und von PC1-PC5 veranschaulicht 

Bild 8. 

Die Durchführung der Performanzprognose erfolgt 

auf Grundlage der Trendentwicklung von PC1-PC5. Die 

Prognose für 350 Abtastzeitpunkte beginnt zum Abtastzeitpunkt 

1065 und wird im Bild 9 dokumentiert. 


10 / 2014 

49

HAUPTBEITRAG 

Die definierte Schwelle für die Wartung und Instandhaltung 

ist mit einer Amplitude von 58 ausgewählt 

worden. Nach weiteren 168 Abtastzeitpunkten ab dem 

Startpunkt der Performanzprognose unterschreitet das 

prognostizierte Trendsignal die definierte Schwelle für 

Wartung und Instandhaltung dauerhaft. Unter Berücksichtigung 

der zuvor genannten Zykluszeit erfolgte somit 

eine Performanzprognose für die Restnutzungsdauer 

von 336 Produktionsstunden. 

In der Praxis wurde die untersuchte Anlage bereits 

112 Produktionsstunden nach dem Abtastzeitpunkt 

1065 einer umfassenden Instandhaltungsmaßnahme 

unterzogen. Diese Instandhaltungsmaßnahme fußte auf 

der vorliegenden Produktionszeit des betrachteten 

Schneckenförderers. Hierbei wurde im prognostizierten 

Sektor der Anlage ein sehr starker Verschleiß 

der Schnecke festgestellt und diese Komponente anschließend 

erneuert. 

ZUSAMMENFASSUNG 

Im Beitrag wurden datenbasierte Verfahren zur Zustandsüberwachung 

und Performanzprognose vorgestellt, 

diskutiert und an zwei technischen Anlagen 

validiert. Der Nachweis der Leistungsfähigkeit des 

dargestellten Konzepts erfolgte anhand von Messdaten 

mehrerer Windkraftanlagen gleichen Typs. 

Ausgewählte Beispiele zur Detektion signifikanter 

Abweichungen vom Nominalverhalten beim Auftre- 

ten von Sensor- und Prozessfehlern wurden exemplarisch 

dargelegt. 

Der zweite Teil des Beitrages widmete sich der Performanzprognose 

von technischen Anlagen. Hier liegt 

der Fokus auf den Forderungen der Anlagenindustrie, 

eine zuverlässige Vorhersage für die sichere Funktionsfähigkeit 

von Anlagen zu treffen, um Wartungsund 

Instandhaltungsmaßnahmen auch unter wirtschaftlichen 

Aspekten exakt zu planen. Der dargestellte 

datenbasierte Ansatz zur Performanzprognose 

wurde an einem Beispielprozess der Anlagenindustrie 

validiert. Ausgehend von einer datengestützten Prozessüberwachung 

auf Basis der Hauptkomponentenanalyse 

wurde eine Drift des Betriebszustandes erfasst. 

Mit Hilfe der RBC ließen sich die zur Drift der Performanzkenngröße 

beitragenden relevanten Prozessgrößen 

identifizieren. Anschließend wurde eine Extraktion 

der Signalmerkmale und die Vorhersage mit den 

Methoden der SSA/MSSA durchgeführt. Anhand von 

Expertenwissen der Anlagenbetreiber war es möglich, 

einen Schwellwert für die Restlebensdauer zu definieren, 

sodass sich eine erfolgreiche Performanzprognose 

durchführen ließ. 

Die vorgestellten Verfahren zur Zustandsüberwachung 

und Performanzprognose eröffnen somit neue 

Möglichkeiten für die Entwicklung fehlertoleranter 

Systeme und Anlagen. Darüber hinaus besteht mit 

dem Verfahren der Performanzprognose die Möglichkeit, 

eine Abschätzung der Restlebensdauer auf der 

Basis von Prozessdaten durchzuführen. 

AUTOREN 

M.Sc. MINJIA KRÜGER (geb. 1986) ist Mitarbeiterin 

des Fachgebiets Automatisierungstechnik und 

Komplexe Systeme der Fakultät Ingenieurwissenschaften 

an der Universität Duisburg-Essen. 

Haupt arbeitsgebiete: Modellgestützte Prozessüberwachung, 

fehlertolerante Systeme. 

Prof. Dr.-Ing. TORSTEN JEINSCH (geb. 1970) ist 

Inhaber des Lehrstuhls Regelungstechnik im Institut 

für Automatisierungstechnik an der Fakultät für 

Informatik und Elektrotechnik der Universität 

Rostock. Hauptarbeitsgebiete: fehlertolerante Systeme, 

adaptive Systeme, optimale Steuerung. 

Institut für Automatisierungstechnik und 

Komplexe Systeme, 

Universität Duisburg-Essen, 

Bismarckstraße 81 BB, 

D-47057 Duisburg, 

Tel. +49 (0) 203 379 42 95, 

E-Mail: minjia.krueger@uni-due.de 

Institut für Automatisierungstechnik, 

Universität Rostock, 

Richard-Wagner-Straße 31, Haus 8, 

D-18119 Warnemünde, 

Tel. +49 (0) 381 498 77 04, 

E-Mail: torsten.jeinsch@uni-rostock.de 

50 


10 / 2014

Die Autoren des Beitrages entwickeln aktuell fehlertolerante 

Systeme mit dem Ziel, temporäre Prozesseingriffe 

vorzuschlagen und durchzuführen, um 

in Abhängigkeit der prognostizierten Performanzdegradation 

weitere Entscheidungskriterien zu berücksichtigen. 

Diese Eingriffe könnten zum Beispiel die 

Produktqualität oder -quantität vorübergehend senken, 

jedoch aus wirtschaftlicher Sicht erhebliche Vorteile 

gegenüber einem sofortigen Produktionsstopp zur 

Durchführung von Wartung und Instandhaltung darstellen. 

Mit dieser Entwicklung soll künftig der Entscheidungsprozess 

von Betriebsingenieuren automatisiert 

unterstützt werden, um zum Beispiel gezielte 

Maßnahmen nach dem Erfassen einer fehlerhaften 

Komponente im System einzuleiten. 

DANKSAGUNG 


10.03.2014 


Die präsentierten Ergebnisse wurden im Rahmen 

des Förderprogramms zum Zentralen Innovationsprogramm 

Mittelstand (ZIM) unter dem Titel 

„Entwicklung eines neuen adaptiven Verfahrens 

und Systems für das technische Anlagenmanagement 

von Industrieanlagen“ erarbeitet. 

REFERENZEN 

[1] Alcala, C.F., Qin, S.J.: Reconstruction-based contributation for 

process monitoring. Automatica 47(7), S. 1593-1600, 2009 

[2] Ding, S.X., Zhang, P., Jeinsch, T. Ding, E., Engel, P., Wei, P.: A survey 

of the application of basic data-driven and model-based methods 

in process monitoring and fault diagnosis. In: Preprints 18th IFAC 

World Congress, S. 12380-12388. IFAC 2011 

[3] Golyandina, N., Nekrutkin, V., Zhigljavsky, A.: Analysis of time 

series structure SSA and related techniques. CRC press, 2001 

[4] Russell, E., Chiang, L.H., Braatz, R.D.: Data-driven methods for 

fault detection and diagnosis in chemical processes. Springer 2000 

[5] Valle, S., Li, W., Qin, S.: Selection of the number of principal 

components: The variance of the reconstruction error criterion 

with a comparison to other methods. Industrial and Engineering 

Chemistry Research 38(11), S. 4389-4401, 1999 

[6] Hameed, Z., Hong, Y. S., Cho, Y. M., Ahn, S. H., Song, C. K.: 

Condition monitoring and fault detection of wind turbines and 

related algorithms: A review. Renewable and Sustainable energy 

reviews 13(1), S. 1-39, 2009 

[7] Krüger, M., Ding, S.X., Haghani, A., Jeinsch, T., Engel, P.: Datenbasiertes 

Verfahren zur erweiterten Zustandsüberwachung von 

Windkraftanlagen. VDI-Berichte 2209, S. 227-230, 2013 

[8] Krüger, M., Stargala, T., Jeinsch, T., Engel, P., Ding, S.X.: Überwachung 

und Prognose der Leistungsentwicklung von Industrienlagen 

mittels datenbasierter Verfahren. In: Tagungsband AALE 

2013, S. 135-142. Deutscher Industrieverlag 2013 

[9] Jeinsch, T., Engel, P., Ding, S.X., Schoch, D., Neumann, H.: 

Statistische Verfahren zur Fehlererkennung und -diagnose. atp 

edition – Automatisierungstechnische Praxis 52(6), S. 10-13, 2010 

Dr.-Ing. ADEL HAGHANI (geb.1981) ist 

Mitarbeiter des Lehrstuhls Regelungstechnik 

im Institut für Automatisierungstechnik 

an der Fakultät für 

Informatik und Elektrotechnik der 

Universität Rostock. Hauptarbeitsgebiete: 

fehlertolerante Systeme, 

datenbasierte Verfahren zur Prozessüberwachung 

Dr.-Ing. PETER ENGEL (geb. 1962) 

ist verantwortlich für Konzeption 

und Entwicklung des Produkts 

zedas®asset bei der PC-Soft 

GmbH sowie für diverse 

Forschungs- und Entwicklungsprojekte 

mit Hochschulen. 

Prof. Dr.-Ing. STEVEN X. DING (geb. 1959) 

leitet des Fachgebiet Automatisierungstechnik 

und Komplexe Systeme der 

Fakultät Ingenieur wissenschaften an der 

Universität Duisburg-Essen. Hauptarbeitsgebiete: 

Modellgestützte Prozessüberwachung, 

fehlertolerante Systeme und 

Anwendung in der Automobilindustrie. 

Institut für Automatisierungstechnik, 

Universität Rostock, 

Richard-Wagner-Straße 31, Haus 8, 

D-18119 Warnemünde, 

Tel. +49 (0) 381 498 77 09, 

E-Mail: adel.haghani@uni-rostock.de 

PC-Soft GmbH, 

Adolf-Hennecke-Str. 37, 

D-01968 Senftenberg, 

Tel. +49 (0) 3573 70 75 20, 

E-Mail: pengel@pcsoft.de 

Institut für Automatisierungstechnik und 

Komplexe Systeme, 

Universität Duisburg-Essen, 

Bismarckstraße 81 BB, D-47057 Duisburg, 

Tel. +49 (0) 203 379 33 86, 

E-Mail: steven.ding@uni-due.de 


10 / 2014 

51

HAUPTBEITRAG 

Automatisierungssysteme 

mit Web-Technologien 

Architektur und Schnittstellen 

Das Thema dieses Beitrags ist eine neue Architektur für Automatisierungssysteme 

auf Basis von Web-Technologien. Die Architektur wird in Anlehnung an den aus dem 

IT-Bereich bekannten Ansatz einer weborientierten Architektur (WOA) als weborientiertes 

Automatisierungssystem (WOAS) bezeichnet. Mit der WOAS-Architektur 

werden die Prinzipien und Methoden aus der standardisierten Welt der Internettechnologien 

systematisch in die Industrieautomation übertragen. Ein WOAS besteht aus 

einem WOAS-Kern und einer konfigurierbaren Anzahl weborientierter Automatisierungsdienste, 

die die erforderlichen Automatisierungsfunktionen realisieren. 

SCHLAGWÖRTER Automatisierungssystem / weborienterte Architektur / 

Automatisierungsdienst / CPS-Integrationsplattform 

Automation Systems Based on Web Technologies – 

Architecture and Interfaces 

A new architecture is described for automation systems based on web technologies 

– a Web-Oriented Automation System (WOAS). The approach involves a web-oriented 

architecture (WOA) familiar from information technology. The WOAS architecture 

allows the principles and methods from the standardized world of Internet 

technologies to be transferred into the world of industrial automation in a systematic 

and structured manner. A WOAS core is combined with configurable web-oriented 

automation services that implement the required automation functions. 

KEYWORDS automation system / web-oriented architecture / automation service / 

CPS integration platform 

52 


10 / 2014

REINHARD LANGMANN, Fachhochschule Düsseldorf 

Die Prozess- und Fertigungsautomatisierung 

befindet sich durch die zunehmende Durchdringung 

mit IKT-Technologien im Umbruch. 

Der Einsatz von cyber-physischen 

Systemen (CPS) und dem darauf basierenden 

Industrie-4.0-Paradigma bietet hohe Potenziale, um 

den Herausforderungen der Zukunft in der Automatisierungstechnik 

gerecht zu werden. Dabei spielen unter 

anderem die Kommunikationsvernetzung der Systeme/Komponenten 

und die Bereitstellung und Nutzung 

von Diensten eine wesentliche Rolle (Internet 

der Dinge und Dienste). 

Die klassische Automatisierungshierarchie wandelt 

sich zu einer flachen Automatisierungswolke [1]. In 

dieser Automatisierungswolke werden nach einhelliger 

Auffassung serviceorientierte Architekturen (SOA) als 

neue Technologie eine besondere Rolle spielen. SOA 

bietet die Möglichkeit, einheitliche Schnittstellen zu 

erstellen und eine Kollaboration von der Feldebene bis 

in die Unternehmensleitebene zuzulassen. Damit lässt 

sich bei steigender Individualität, Komplexität und 

Qualität weiterhin ein hoher und kosteneffizienter 

Durchsatz generieren. 

Der Trend zur räumlichen und funktionalen Verteilung 

von Automatisierungsfunktionen ist nicht neu. 

Bisherige Lösungen setzten immer auf proprietäre und 

für die Automatisierungstechnik spezialisierte Lösungen, 

die sich aber aufgrund ihrer Kompliziertheit 

und nicht ausreichender Industrieunterstützung (zum 

Beispiel Corba) kaum durchsetzen konnten. Erst die 

neuen und standardisierten IT-Technologien mit Web/ 

Internet an der Spitze schufen die Voraussetzungen für 

eine räumlich unbegrenzte Verteilung von Funktionen/ 

Diensten und werden nun auch für die Automatisierungstechnik 

interessant. 

Auf die Prozessleittechnik, die sich mit übergeordneten 

und koordinierenden Automatisierungsfunktionen 

bereits mit den eher dispositiven und verteilenden 

Aufgaben beschäftigt, wird sich der zuvor erwähnte 

Trend zunehmend auswirken. Das verdeutlicht die Tatsache, 

dass bereits 2012 über 2000 Scada-Systeme über 

das Internet bedienbar waren [2]. 

1. ANSATZ 

Im Gegensatz zur klassischen Verwendung des Begriffs 

Automatisierungssystem wird für die folgenden Ausführungen 

das Gesamtsystem zur Automatisierung 

eines technischen Prozesses geteilt in 

das Automatisierungssystem (AS) und 

ein Feldsystem (FS). 

Das Automatisierungssystem (AS) besteht im Wesentlichen 

aus Software-Komponenten, die auf Rechnern 

unterschiedlicher Ausprägung verteilt sein können. 

Es lässt sich in eine definierte Anzahl von Automatisierungsfunktionen 

(AF) aufteilen. Gegenüber dem 

Automatisierungssystem präsentiert sich der technische 

Prozess ausschließlich über die vom Feldsystem 

bereitgestellten Prozessdaten. Diese Prozessdaten 

werden im Automatisierungssystem innerhalb verschiedener 

AF verarbeitet. Für das Automatisierungssystem 

ist ein weiches Echtzeitverhalten charakteristisch. 

Typische Beispiele für Automatisierungssysteme 

sind Prozessvisualisierungs-, HMI- und Leitsysteme 

(Scada). 

Das Feldsystem (FS) arbeitet mit Prozesssignalen 

aus Automatisierungsgeräten und verarbeitet diese zu 

Prozessdaten. Es beinhaltet alle erforderlichen Sensoren 

und Aktoren und kann darüber hinaus Automatisierungsfunktionen 

beinhalten, wie zum Beispiel 

Steuerung und Regelung. Das Feldsystem muss üblicherweise 

ein hartes Echtzeitverhalten gewährleisten. 

Typische Feldsysteme sind SPS- und CNC-Steuerungssysteme. 

Im Sinne der im Beitrag verwendeten Begriffsdefinition 

könnte ein Automatisierungssystem auch alle 

erforderlichen Automatisierungsfunktionen beinhalten, 

sodass das Feldsystem dann nur noch aus Sensoren/Aktoren 

mit Signalaufbereitung besteht. Üblicherweise 

liegen die maximalen Prozesszeiten des 

zu automatisierenden technischen Prozesses oberhalb 

von (50...100) ms und lassen damit auch eine 

webbasierte Automatisierung zu. 


10 / 2014 

53

HAUPTBEITRAG 

2. AUTOMATISIERUNGSSYSTEME IM WEB 

2.1 Stand der Technik 

Unter dem Stichwort Webtechnologie für die Automatisierung 

werden seit einigen Jahren Standardtechniken 

aus der Welt der Informationstechnologie für 

Automatisierungssysteme verfügbar gemacht und eingesetzt. 

Verstärkt wird diese Entwicklung durch die in 

[3] dargelegten Empfehlungen zur Thematik Industrie 

4.0 und Cyber-Physical Production Systems (CPPS), um 

den Produktionsstandort Deutschland auch in Zukunft 

zu sichern, sowie durch die Diskussion über das Internet 

der Dinge [4]. Zu den technischen Entwicklungsschwerpunkten 

gehören dabei 

die Nutzung des Webbrowsers als universelle Bedienschnittstelle 

für automatisierte Geräte, Maschinen 

und Anlagen, 

der Einsatz von Ethernet und TCP/IP beziehungsweise 

IP-Netzen als vertikale und horizontale Kommunikation 

zwischen den Ebenen in der klassischen 

Automatisierungspyramide, 

die Nutzung von XML als Beschreibungssprache 

für Protokolle, Dienste und Komponenten. 

Einige Entwicklungen beschäftigen sich damit, Automatisierungsfunktionen 

aus den prozessfernen Ebenen 

in das IP-Netz zu verlagern beziehungsweise Geräte der 

prozessnahen Ebene mit Dienstschnittstellen zu versehen, 

damit diese in einem IP-Netz zum Beispiel über 

eine Cloud genutzt werden können [5, 6]. Andere Arbeiten 

befassen sich mit der Entwicklung von Dienstestrukturen 

für Automatisierungssysteme auf Basis einer 

serviceorientierten Architektur (SOA). Ziel ist dabei 

vorrangig die Ausrüstung von Geräten mit embedded 

Diensten [7]. Auch die Nutzung von webbasierten 

Cloud-Technologien für den Betrieb von Automatisierungsdiensten 

wird zunehmend thematisiert [8]. 

Nach einer Studie in [9] sind für Geschäftsanwendungen 

SOA-Modelle sehr kompliziert, zentralisiert 

und schwergewichtig. In Zusammenhang mit neueren 

Entwicklungen für das Web 2.0 werden deshalb leichtgewichtige, 

hochflexible und dezentralisierte Strukturen 

wie die weborientierte Architektur (WOA) an 

Bedeutung gewinnen. Dies wird durch die Aussagen in 

[10] unterstrichen, nach denen WOA als Basis betrachtet 

wird, um zukünftige SOA-Systeme zu entwickeln. 

WOA-Strukturen ergänzen beziehungsweise erweitern 

SOA-Strukturen und verlagern erforderliche Informationsverarbeitungsprozesse 

in den Webbrowser, um 

beispielsweise die SOA-Server zu entlasten. 

Erste Ansätze zur Nutzung von WOA-Modellen für 

Automatisierungssysteme kommen aus der Gebäudeautomatisierung. 

Neue Systeme zum Betrieb und zur 

Datenerfassung/-auswertung von im Internet verteilter 

Sensorik/Aktorik setzen dazu Verfahren aus dem 

Web-2.0-Umfeld (zum Beispiel Ajax und REST) sowie 

das Cloud-Computing ein [11,12]. 

2.2 Herausforderungen 

Die Zielsetzung zur Weiterentwicklung von Automatisierungssystemen 

beinhaltet 

eine wesentliche Verbesserung der horizontalen und 

vertikalen Kommunikation und Datenintegration, 

eine Reduzierung der Schnittstellenprobleme 

durch Vereinheitlichung und Nutzung von informationstechnischen 

Standards sowie damit verbunden 

eine wesentliche Erhöhung von Flexibilität und Effizienz 

als Voraussetzung für die künftig erforderliche 

Fähigkeit zur Selbstanpassung und Autonomie. 

Die meisten bekannten Arbeiten setzen dazu die Webtechnologien 

partiell, herstellerspezifisch und/oder begrenzt 

offen ein. Selbst Systeme, die durchgängig Webtechnologien 

für die Funktionsrealisierung verwenden, 

verbleiben in der klassischen Server-Client-Struktur und 

lassen weder eine verteilte Strukturierung des AS noch 

die Nutzung verteilter Dienste zu (zum Beispiel WEBfactory, 

atvise). Web-2.0-Technologien werden bisher nur 

wenig berücksichtigt. Eine auf Basis von Webtechnologien 

mögliche Modellierung eines AS sowie eine entsprechende 

Engineering-Umgebung steht nicht zur Verfügung. 

Damit ergeben sich keine prinzipiellen Änderungen 

in der Struktur der Automatisierungssysteme 

und die erwähnte Zielsetzung ist unter den Bedingungen 

einer vollständigen Vernetzung nach Industrie 4.0 nur 

unvollständig realisierbar. 

Zusammengefasst ergeben sich deshalb Herausforderungen, 

um Automatisierungsssysteme für die Zukunft 

vorzubereiten: 

AS benötigen eine durchgängige, offene und konsistente 

Modellierung auf Basis von webbasierten 

Standardtechnologien. 

Webtechnologien werden zwar teilweise eingesetzt, 

erforderlich ist aber weiterhin die flexible Verteilung 

von Struktur und Funktion eines AS auf Basis 

dieser Technologien. 

Neue Web-2.0-Technologien wie MashUps (Erstellung 

neuer Webinhalte durch Kombination bereits 

bestehender Inhalte), REST (Programmierparadigma 

für verteilte Webanwendungen), WebSockets 

(TCP-Netzwerkprotokoll für bidirektionale Verbindungen 

zwischen einer Webseite und einem Server) 

müssen auf ihre Einsatzfähigkeit für die Automatisierung 

geprüft und falls nötig modifiziert werden. 

Für die Zukunft einer webbasierten Automatisierungsdiensteindustrie 

sind weborientierte Architekturen 

basierend auf dem SOA-Prinzip für AS 

erforderlich. 

Verfügbare Standardtechnologien aus der Welt der 

IP-Netze müssen verstärkt für ihren Einsatz in AS 

untersucht werden, um die Flexibilität und Effizienz 

zu erhöhen und eine durchgängige und konsistente 

Kommunikation zu ermöglichen. 

54 


10 / 2014

WOAS 

Cloud 

AUTOMATISIERUNGSSYSTEM 

AF 

AF 

AF 

Webbrowser = WOAS 

AS AS 

SK 

AS 

AS 

SK 

AS 

AS 

SK 

SK 

AS 

AF 

AF 

Webbrowser = WOAS 

AS AS AS 

Prozessdaten 

SK 

AF 

AF 

FELDSYSTEM 

AF 

Sensoren 

AF 

Aktoren 

FELDSYSTEM 

Sensoren 

Aktoren 

AF 

AF 

FELDSYSTEM 

Sensoren 

Aktoren 

Signale vom/zum technischen Prozess 

BILD 1: Trennung in Automatisierungsund 

Feldsystem 

BILD 2: Prinzipstruktur eines WOAS 

3. DAS WOAS-PROJEKT 

Basierend auf den beschriebenen Herausforderungen 

wurde 2011 das IGF-Forschungsprojekt „Architektur 

und Schnittstellen für ein weborientiertes Automatisierungssystem 

(WOAS)“ unter Beteiligung von 10 Automatisierungsfirmen 

gestartet. Ziel des Forschungsvorhabens 

war es, eine Architektur für Automatisierungssysteme 

auf Basis von Webtechnologien zu erforschen. 

Diese Architektur wird in Anlehnung an den 

WOA-Ansatz [9] als weborientiertes Automatisierungssystem 

(WOAS) bezeichnet. Ein WOAS besteht dabei 

aus einem WOAS-Kern und einer konfigurierbaren 

Anzahl von weborientierten Automatisierungsdiensten 

(WOAD), die die erforderlichen Automatisierungsfunktionen 

realisieren. 

Mit der WOAS/WOAD-Methodik wurde ein konsistentes 

und pragmatisches Architekturmodell für weborientierte 

Automatisierungslösungen (Referenzmodell) 

geschaffen, das die Basis für die Generierung von verteilten 

nutzerspezifischen AS in einem IP-Netz bildet. 

Bild 2 zeigt die Prinzipstruktur eines WOAS. Das 

Automatisierungssystem wird erst zur Betriebszeit aus 

einer Bauvorschrift im Webbrowser eines Nutzers erzeugt 

und dort als Systemkern (SK) ausgeführt. Die 

erforderlichen Automatisierungsfunktionen werden als 

Automatisierungsservices über eine WOAS-Cloud genutzt. 

Der Anschluss der Feldsysteme (Geräte) erfolgt 

über Standardindustrieschnittstellen mit Webanbindung. 

Auf alle Elemente eines WOAS, einschließlich 

des Engineering-Systems (WOAS Creator), kann über 

das Web zugegriffen werden. 

3.1 Systemkern 

Wichtigster Teil des WOAS-Architekturmodells ist der 

Systemkern (WOAS-Kern). Er schafft die Voraussetzungen, 

um herstellerunabhängig unterschiedliche 

Automatisierungsfunktionen als Dienste zusammen 

mit unterschiedlichen Automatisierungsgeräten (Feldsystem) 

verteilt im Netz in einheitlicher Art und Weise 

verbinden zu können. Bild 3 verdeutlicht dazu die 

Komponentenstruktur des WOAS-Kerns. 

Über Virtual Devices (VD), siehe Abschnitt 3.3, erfolgt 

die einheitliche Abbildung (Mapping) der jeweiligen 

Automatisierungsgeräte auf die WOAS-Webstruktur. 

Die WOAD-Stubs als Dienst-Aufrufschnittstelle schaffen 

gegenüber dem Kern ein einheitliches Interface zu 

unterschiedlichen Diensten, und über den WOAS-Distributor 

erfolgt die Verbindung der Geräteprozessdaten 

mit den erforderlichen E/A-Daten der Dienste. 

Basierend auf einem Datenmodell eines WOAS gelten 

diese Architekturregeln: 


10 / 2014 

55

HAUPTBEITRAG 

Jedes WOAS besteht aus einem Workspace mit Control 

Panels, denen Views zugeordnet sind. Ein 

Workspace entspricht dabei einem strukturierten 

Webobjekt, das im Webbrowser ausführbar ist. Die 

Views sind die im Browser sichtbaren Webseiten. 

Jedes Control Panel beinhaltet genau einen WOAS- 

Distributor sowie mehrere Virtual Devices und 

WOAD-Stubs. 

Jeder WOAS-Distributor kann mit mehreren Virtual 

Devices und mit mehreren WOAD-Stubs zusammenarbeiten. 

Ein Virtual Device und auch ein WOAD-Stub kann 

mit mehreren WOAS-Distributoren verbunden sein. 

Die Kommunikation innerhalb eines WOAS-Kerns erfolgt 

ausschließlich über ereignisbasierte Prozessdatenkanäle. 

Beim Laden des WOAS-Kerns erfolgt die dynamische 

Erzeugung des WOAS-Distributors, der die 

generische Verbindung zwischen den Virtual Devices 

und den Automatisierungsdiensten übernimmt. 

JavaScript-Entwicklungsumgebung bereitgestellt, die 

eine WOAS-Umgebung simuliert. 

Aus Sicht eines WOAS besteht ein Dienst immer aus 

zwei Beschreibungsteilen: 

WOAD general: Dieser Teil wird durch den Diensteanbieter 

(Publisher) festgelegt. Dazu gehören 

zum Beispiel Dienstname, Version, IP-Adresse, Beschreibung. 

WOAD specific: Diesen Teil legt ein Anwender 

während des Projektierungsprozesses eines WOAS 

fest. Dazu gehören beispielsweise Darstellungsparameter, 

Prozessdatenzuordnung. 

Damit Automatisierungsdienste kostenpflichtig abgerechnet 

werden können, ist in der WOAS-Architektur 

ein Clearing-Konzept vorgesehen, nach dem Dienste 

feingranular abgerechnet werden können. Damit lassen 

sich neue Geschäftsmodelle zum Vermieten von Automatisierungsfunktionen 

realisieren [13]. 

3.2 Automatisierungsfunktionen als Dienste 

Weborientierte Automatisierungsdienste realisieren im 

WOAS die Automatisierungsfunktionen. Für eine 

strukturierte Nutzung müssen WOAD beschrieben und 

modelliert werden können (ähnlich Webservices). Für 

die Verwaltung, Publikation und Nutzung von Automatisierungsdiensten 

wird ein WOAD-Verzeichnis 

(Repository) benötigt, in dem die Dienste mit ihren Eigenschaften 

gesammelt sind. 

Ein WOAD-Stub realisiert eine definierte und offengelegte 

Aufrufschnittstelle, um Dienste in einer einheitlichen 

Form mit dem WOAS-Kern zu verbinden. 

Dabei gelten folgende Prinzipien: 

Dienste werden erst zur Runtime an den WOAS- 

Kern gebunden. 

Der WOAD-Stub realisiert nur die Übergabe der 

Prozessdaten an einen Dienst, die Automatisierungsfunktion 

ist interner Bestandteil des Dienstes 

und wird über diesen festgelegt. 

Über den WOAD-Stub werden die Dienste in die 

einzelnen Views eingebunden. 

Zur Nutzung von Automatisierungsfunktionen als Dienste 

werden diese in der WOAS-Architektur in Abhängigkeit 

von den jeweils erforderlichen Prozessdaten in 

fünf WOAD-Typen eingeteilt, siehe Tabelle 1. Im Unterschied 

zu klassischen Webservices lassen sich Dienste 

sowohl serverseitig als auch clientseitig oder gemischt 

zur Runtime nutzen. Es werden Clienttechnologien wie 

Mashups mit Servertechnologien (SOA) kombiniert. 

Die erforderliche Dienstschnittstelle zum WOAS ist 

über ein Datenmodell und die Aufrufschnittstelle 

wohlstrukturiert, damit ein Drittanbieter Dienste für 

WOAS bereitstellen kann. Zur Offline-Entwicklung 

und zum Test von Diensten wird eine spezielle HTML/ 

3.3 Geräteintegration 

Nach dem WOAS-Ansatz, siehe Bild 1, befinden sich alle 

Automatisierungsgeräte im Feldsystem. Ein Automatisierungsgerät 

(AG) und damit im Prinzip auch das Feldssystem 

wird in WOAS als Virtual Device modelliert. Ein VD 

ist ein Software-Objekt, das die Eigenschaften eines Automatisierungsgerätes 

für ein nutzerspezifisches WOAS 

abbildet. Es kann direkt im WOAS-Kern oder als zulinkbare 

Dateien realisiert sein. Jedes VD besitzt zur Verbindung 

mit dem WOAS-Kern ein einheitliches und schlankes 

JavaScript-Objektinterface und zur Verbindung mit 

dem AG eine WOAS-Device-Protokollschnittstelle. 

Jedes Virtual Device wird, ähnlich einem Dienst 

(WOAD), durch allgemeine Daten (general data) sowie 

spezifische Daten (specific data) charakterisiert. Die 

allgemeinen Daten werden durch den Hersteller des VD 

vorgegeben und kennzeichnen unter anderem die VD- 

Klasse. Die spezifischen VD-Daten werden durch einen 

WOAS-Nutzer erzeugt und parametriert. 

Zur schnellen und zuverlässigen Übertragung von 

Prozessdaten wird für ein WOAS ein schlankes und 

flexibles Gerätemodell benötigt. Bekannte Gerätemodelle 

der Automatisierungstechnik (wie GSD, FDT/ 

DTM, EDS, FDI) sind für Engineering-Zwecke optimiert 

und für einen Runtime-Betrieb über IP-Netze aufgrund 

ihrer Komplexität und Schwergewichtigkeit wenig geeignet. 

Das WOAS-Gerätemodell nutzt deshalb ein einfaches 

Input/Output-Channel-Konzept (vergleichbar 

mit dem Portkonzept aus AutomationML), um Prozessdaten 

einheitlich für Automatisierungsdienste bereitzustellen. 

Jeder Channel besitzt festgelegte Parameter 

und ist über Options beliebig erweiterbar (zum Beispiel 

mit einer semantischen Beschreibung). Ein VD kann 

beliebig viele Channels besitzen. 

Mittels eines Virtual Device werden die Prozessdaten 

eines Automatisierungsgerätes über ereignisbasierte 

56 


10 / 2014

Kanäle auf web- beziehungsweise internetgeeignete 

Objekte abbildet und in einem Webbrowser verfügbar 

gemacht. Über integrierte Device beziehungsweise Protocol 

Gateways können beliebige Industrieschnittstellen 

(wie OPC DA, OPC UA, Modbus TCP) damit im IP- 

Netz verfügbar gemacht werden. 

Zur Datenübertragung zwischen einem VD und einem 

Automatisierungsgerät wurde ein einfaches und pragmatisches 

WOAS Device Protocol (WOAS-DP) entwickelt, 

das als Datenformat JSON für die Prozessdatenübertragung 

über das HTTP-Protokoll und Websockets nutzt. 

Die Device Gateways und die Protocol Gateways lassen 

sich wie folgt charakterisieren: 

Ein WOAS Protocol Gateway (WPG) realisiert die 

Umsetzung des WOAS-DP in das erforderliche Industrieprotokoll 

zur Kommunikation mit dem realen 

AG. Das WPG kann direkt als JavaScript-Protokollumsetzer 

Bestandteil des Virtual Device sein 

oder es ist auf einer externen Hardware (IPC, embedded 

Server) realisiert. 

Als WOAS Device Gateway (WDG) wird die 

externe Hardware bezeichnet, die ein oder mehrere 

WOAS Protocol Gateways realisiert. Kommt dabei 

ein IPC zum Einsatz, können weitere erforderliche 

Geräte-/Protokolltreiber (zum Beispiel OPC- 

DA-Server) auf dem WOAS Device Gateway installiert 

sein. 

Zur Anpassung an unterschiedliche Gegebenheiten und 

Industrieprotokolle werden drei VD-Klassen unterschieden, 

die sich vor allem durch die Art und Weise ihrer 

Integration in ein WOAS-System unterscheiden: 

VD Class 1: Diese Virtual Devices sind bereits als 

Plug-in im WOAS-Server realisiert (internal VD) 

und setzen die Kernaufrufe direkt in die erforderlichen 

Geräteprotokollinformation um. Dies ist 

dann vorteilhaft, wenn das Automatisierungsgerät 

bereits eine geeigneten IP-Schnittstelle (zum 

Beispiel OPC UA) oder ein internes Protocol 

Gateway besitzt. 

WOAD stub 1 WOAD stub 2 WOAD stub M 

... 

WOAS distributor 

DB 

Connection matrix 

WOAD VD 

Virtual Device 1 

(VD 1) 

Virtual Device 2 

(VD 2) 

... 

Virtual Device N 

(VD N) 

BILD 3: Komponentenstruktur 

des WOAS-Kerns 

TYP 

SICHTBARKEIT 

IM WOAS-CLIENT 

PROZESSDATEN 

INPUT/OUTPUT 

FUNKTIONALITÄT 

BEISPIEL 

Typ 1 

Nein 

Typ 2 Ja Input 

Typ 3 

Ja 

Input ODER 

(Input & Output) 

Output ODER 

(Output & Input) 

Typ 4 Ja Input & Output 

Typ 5 Ja – 

Realisierung eines 

Algorithmus 

Visualisierung von 

Prozessdaten 

Bedienung von 

Prozessdaten 

Beeinflussung und 

Visualisierung von 

Prozessdaten 

Auswertung von 

historischen Daten 

Messwertverarbeitung, 

Datenarchivierung, 

Ablaufsteuerung 

Echtzeit-Trend 

Schieberegler, 

Schalter, Tastenfeld 

HMI, Alarmbehandlung 

Trendanalyse, 

Alarmanalyse 

TABELLE 1: WOAD-Typen 


10 / 2014 

57

HAUPTBEITRAG 

VD Class 2: Das Virtual Device beinhaltet ein separates 

WOAS Protocol Gateway in JavaScript, das 

die WOAS-Aufrufe in das erforderliche Industrieprotokoll/Geräteschnittstelle 

umsetzt. Das 

WOAS-DP kann hierbei zur internen Kommunikation 

auf Softwareebene genutzt werden. 

VD Class 3: Das Virtual Device kommuniziert mit 

einem externen WOAS Device Gateway, das in der 

Regel über Websockets WS/TCP mit dem VD verbunden 

ist und über das WOAS-DP Nachrichten 

austauscht. Für die Kommunikation können auch 

andere Protokolle genutzt werden. 

Bild 4 veranschaulicht die unterschiedliche Anbindung 

von Automatisierungsgeräten über verschiedene 

VD-Klassen in einem WOAS. 

Anmerkung zu OPC UA: Ein Virtual Device in WOAS 

nutzt üblicherweise JavaScript und Websockets für die 

bidirektionale und ereignisbasierte Kommunikation 

zum Automatisierungsgerät. Auch wenn OPC UA direkt 

über ein IP-Netzwerk zugreifbar ist, so wird dafür ein 

Gateway benötigt, um für das OPC UA-Gerät eine Websocket-Schnittstelle 

zu erzeugen. Zukünftig wäre es 

sicher sehr hilfreich, wenn OPC UA einen direkten 

Websocket-Zugang ermöglicht. 

4. IMPLEMENTIERUNG UND EVALUIERUNG 

Test und Evaluierung der WOAS-Architektur erfolgten 

an einem Demonstrator, bestehend aus einer Anlage zur 

Montage von Modellautos mit fünf Montage- beziehungsweise 

Demontagestationen, siehe Bild 5. 

Die Montageteile befinden sich auf einem Werkstückträger, 

der mittels eines Transportbandes zwischen den 

einzelnen Stationen bewegt wird. Durch den gewählten 

Montage/Demontageprozess, der keine Teilezu- und -abführung 

benötigt, lässt sich die Anlage für den Testbetrieb 

über das Internet ohne Aufsicht dauerhaft nutzen. 

Bezogen auf Bild 1 bilden jeweils die Steuerung und 

der IPC in Bild 5 das Feldsystem, in dem die SPS-Programme 

sowie ein WOAS Protocol Gateway für den 

Zugriff auf OPC-Daten laufen. Als WOAD sind verschiedene 

Bedien-, Visualisierungs- und Auswertefunktionen 

für die Stationen realisiert. 

4.1 WOAS-Portal 

Ein WOAS wird in einem Projektierungsprozess mittels 

eines Werkzeuges (WOAS Portal/Creator) erzeugt. Die 

Implementierung des Prototyps eines solchen WOAS- 

Portals wurde mittels HTML5, Java, JavaScript, PHP 

und einer mySQL-Datenbank realisiert. Die Datenübertragung 

zwischen den Kern-Komponenten erfolgt über 

Websockets und JSON. Dazu wird der freiverfügbare 

jWebsocket-Server mit zusätzlich entwickelten Plug-ins 

genutzt. Bild 6 zeigt den WOAS-Creator (=WOAS-Portal 

im Projektierungsmode) im Webbrowser. 

Im linken Teil in Bild 6 befindet sich der Navigator 

für die nutzerspezifischen Control Panels/Views, im 

mittleren Teil ist die Arbeitsfläche des Creators zu sehen, 

und der rechte Teil beinhaltet das Parametrierungsmenü 

für die Dienste. Im unteren Teil stehen Registerkarten 

für die Parametrierung der Dienste und 

Virtual Devices zur Verfügung. 

Das WOAS-Portal ist öffentlich zugängig und kann 

unter http://woas.ccad.eu getestet werden. Ein Admin- 

Zugang für den EDIT-Modus eines WOAS findet sich in 

den Nutzerhinweisen zum Portal [14]. 

4.2 Dienste und Geräte 

Zur Evaluierung der Architektur und Schnittstellen 

wurden bisher 18 Dienste unterschiedlichen Typs sowie 

sechs verschiedene Gerätezugänge entwickelt und 

erprobt. Eine vollständige Übersicht der im Prototyp 

des WOAS-Portals verfügbaren Dienste (WOAD) mit 

Beschreibung der Parameter enthält [14]. Zu den Diensten 

gehören zum Beispiel verschiedene HMI-Elemente, 

ein Echzeit-Plotter und Visualisierungsdienste einschließlich 

eines Webcam-Dienstes. Tabelle 2 gibt eine 

Übersicht über die verfügbaren WOAS-Protokoll- beziehungsweise 

Device-Gateways als Gerätezugänge. 

Über die Protocol Gateways beziehungsweise Device 

Gateways können Dritte ihre Automatisierungsgeräte 

unproblematisch in das WOAS-Portal einbinden. Hinweise 

zur Installation der Gateways finden sich im Düsseldorfer 

Telelabor (http://www.telelabor.de). Ausführliche 

Information zum gemessenen Zeitverhalten der 

Gerätezugänge nach Tabelle 2 ist in [15] veröffentlicht. 

4.3 Betriebserfahrungen und Probleme 

Das WOAS-Portal wird seit Mai 2014 für verschiedene 

Aufgaben im Competence Center Automation Düsseldorf 

(CCAD) der FH Düsseldorf genutzt: 

Bedienung und Visualisierung von zwei öffentlich 

zugänglichen WOAS-Demonstratoren (Montagestation 

und Bearbeitungsstation), 

Nutzung als einfaches Scada/HMI-System für 

die Forschungs- und Trainingsfabrik Fab21 

(www.fab21.de) im Intranet, 

Entwicklungsumgebung für neue Automatisierungsdienste 

im Rahmen von studentischen Projektarbeiten. 

In Arbeit ist weiterhin der Einsatz des WOAS-Portals 

als Entwicklungs- und Runtime-Umgebung für 

neue Smart Remote Labs zur Ausbildung in der 

Automatisierungstechnik. 

Der besondere Vorteil von WOAS liegt in der schnellen 

und einfachen Erweiterung des Systems mit weiteren 

Automatisierungsfunktionen als Dienste. Alle mit Webtechnologien 

verfügbaren Funktionalitäten können 

58 


10 / 2014

BILD 4: IP-Anbindung von 

Automatisierungsgeräten 

über Virtual Devices 

VD -T 

Ty 

p 1 

Virtual Device 

Automatisierungsgerät 

Protocol Gateway 

AG mit integriertem Protocol Gateway 

VD -T 

Ty 

p 2 


Protocol Gateway 


AG mit interner IP-Schnittstelle 

VD -T 

Ty 

p 3 


Device Gateway 

Protocol Converter 


AG mit externem Protokoll-Gateway 

IPC 

Steuerung 

IPC 

Steuerung 

Station 55 

Demontieren 

Achsbaugruppe 

Station 4 4 

Demontieren 

Karosse 

IPC 

Steuerung 

Station 1 

Kontrolle 

Anwesenheit 

aller Teile 

Station 2 

Fügen 

Achsbaugruppe 

Station Station3 

3 

Fügen 

Karosse auf 

Achsbaugruppe 

Steuerung 

IPC 

Steuerung 

IPC 

BILD 5: WOAS- 

Demonstrator 

(Montagestation) 

BILD 6: Prototyp des WOAS-Portals 

(EDIT-Modus – Beispiel: Demo Panel) 

INDUSTRIE- 

INTERFACE 

WEB- 

TECHNOLOGIE 

KOMMUNIKATION 

REAKTIONSZEIT 

(gemessener Richtwert 

für die Übertragung eines 

Prozessdatums) 

OPC DA Applet/Java TCP 50 ms 3 

OPC DA JS/Java WS 40 ms 3 

Modbus TCP JS/PHP WS 100 ms 3 

OPC DA Ajax/PHP HTTP 150 ms 2 

IEC 61131 JS/FBS WS 20 ms 2 

Vathauer Frequenzumrichter JS/Java WS 150 ms 1 

OPC UA JS/Java WS/OPC noch in Entwicklung 1 

VD- 

KLASSE 

TABELLE 2: Verfügbare Gerätezugänge für WOAS (ws – Websocket, 

JS – JavaScript, FBS – Funktionsbausteinsprache) 


10 / 2014 

59

HAUPTBEITRAG 

dank der schlanken und pragmatischen Schnittstellen 

in kurzer Zeit in WOAS integriert werden. Dies trifft 

gleichfalls auf neue Gerätezugänge über das Prinzip der 

Virtual Devices zu. 

Das WOAS-Portal ist ein Prototyp und damit noch 

mit einer Reihe von implementierungstechnischen Problemen 

behaftet, die zwar einen Testbetrieb, aber noch 

keinen Produktionsbetrieb ermöglichen. Für 2014/2015 

ist dazu eine Überarbeitung vorgesehen. Bisher konnten 

aus Ressourcengründen folgende Funktionen noch 

nicht realisiert werden: 

Das Clearing-System zur Abrechnung von WOAD 

ist als Rahmen in das System integriert, aber noch 

nicht funktionsfähig. 

Die rollenbasierte Nutzerverwaltung ist noch nicht 

vollständig implementiert. Neue Nutzer bezie- 

CLIENT-RECHNER AUSLASTUNG CPU [%] 

Intel Core i7-3770 CPU @ 3,4GHz, 

vier Kerne, 64Bit Windows 7, 

8 GB RAM (PC) 

Intel Core i5-4300U CPU @ 1,9 

GHz, zwei Kerne, 64-Bit-Windows 

8, 4 GB RAM, (Surface Tablet) 

15…20 

35...40 

TABELLE 3: Client-Performance für ein Beispiel-WOAS 

SERVICE 

DEVICE 

User 1 

SERVICE 

WOAS-Portal 

User 2 

DEVICE 

User n 

SERVICE 

DEVICE 

BILD 7: WOAS-Portal als multi-user- und 

multi-rollen-basierte Integrationsplattform 

hungsweise Zugänge müssen zur Zeit noch händisch 

über die Datenbank angelegt werden. Für 

Testzwecke stehen 10 Zugänge mit den Rollen Admin 

und User zur Verfügung. 

Neue Dienste und Gerätezugänge können durch die 

Nutzer noch nicht über das Portal hinzugefügt werden. 

Dazu ist derzeit noch ein separater FTP-Zugang 

erforderlich. 

Ein WOAS ist eine Rich-Client-Anwendung und benötigt, 

abhängig von der Anzahl der dynamischen Prozessdaten 

und der Komplexität der Dienste, die genutzt werden sollen, 

eine entsprechende Rechenleistung im Client-Rechner. 

Dynamische Visualisierungen mit Taktzeiten < 200 

ms im Webbrowser führen zu hohen CPU-Belastungen. 

Die CPU-Auslastung für ein Beispiel (siehe Demo Panel 

unter woas.ccad.eu) zur Visualisierung von 18 Prozessdaten 

mit einer Aktualisierungsrate von etwa 100 ms 

zeigt Tabelle 3 (Webbrowser = Google Chrome). 

Aus Tabelle 3 wird auch sichtbar, dass moderne Tablet-Rechner 

in der Lage sind ein WOAS im Webbrowser 

mit ausreichender Performance zu betreiben. 

5. WOAS ALS CPS-INTEGRATIONSSYSTEM 

Ursprünglich wurde WOAS für Automatisierungssysteme 

der nicht-zeitkritischen Ebenen entwickelt, vergleiche 

Bild 1. Unter dem Blickwinkel von Industrie 4.0 und CPSbasierter 

Automation zeigt sich aber, dass das WOAS-Portal 

generell als CPS-Integrationsplattform fungieren kann. 

Nach [1] kommunizieren CPS-basierte Automatisierungssysteme 

über offene, globale Informationsplattformen 

(Internet). Ihre Teilsysteme und Komponenten 

nutzen beziehungsweise stellen über diese Netze offen 

verfügbare, relevante Daten und Dienste zur Verfügung. 

Aus dieser Definition lässt sich eine wesentliche Herausforderung 

ableiten, die für CPS-basierte Automatisierungssysteme 

umgesetzt werden muss: 

CPS-Komponenten müssen im Gegensatz zu klassischen 

Automatisierungsgeräten geeignete 

Schnittstellen zu einem IP-Netz besitzen. Diese 

Schnittstellen sollen standardisiert beziehungsweise 

weit verbreitet, sicher und zuverlässig sein, 

sowie möglichst zeitdeterministisch arbeiten. 

In WOAS entsprechen die in Bild 4 dargestellten VD- 

Typen den CPS-Komponenten. Mit dem gleichzeitig 

verfügbaren Konzept der Dienste (WOAD) bildet das 

WOAS-Portal eine Integrationsplattform mit der beliebig 

in einem IP-Netz (lokal oder weltweit) verteilte 

Dienste mit beliebigen im IP-Netz verteilten CPS-Komponenten 

zu Funktionalsystemen verbunden werden 

können. Damit ergibt sich eine flache Automatisierungsstruktur 

mit verteilten Diensten, wie sie nach [1] 

für künftige Produktionssysteme erwartet wird. 

Hauptaufgabe des WOAS-Portal als CPS-Integrationsplattform 

ist die nutzerspezifische Verknüpfung der 

60 


10 / 2014

Dienste mit den CPS-Komponenten, und dies in der 

Projektierungs- und Runtime-Phase. Erforderlich dazu 

ist eine multi-user und multi-rollen-basierte Integrationsplattform, 

die für einen bestimmten Anwendungskontext 

Lösungen bereitstellen kann. Dabei spielt es 

keine Rolle, ob der Anwendungskontext die Produktionsautomatisierung, 

Medizintechnik oder beispielsweise 

Verkehrstechnik ist, siehe Bild 7. 

ZUSAMMENFASSUNG 

Mit dem Prototyp des WOAS-Portals steht eine Konfigurations- 

und Runtime-Umgebung online und webbasiert 

zur Verfügung, mit der weltweit verteilte Geräte (Automatisierungsgeräte) 

mit beliebigen verteilten Diensten (Automatisierungsdiensten) 

zu nutzerspezifischen Funktionalsystemen 

integriert und für einen Testbetrieb genutzt 

werden können. Als Alleinstellungsmerkmal gegenüber 

allen anderen cloud-basierten Integrationssystemen für 

die Automatisierung kann das WOAS-Portal durch beliebige 

Dienste Dritter und weitere Gerätezugänge über konsistente 

und offengelegte Schnittstellen erweitert werden. 

AUTOR 


14.08.2014 


Prof. Dr.-Ing. REINHARD 

LANGMANN (geb. 1950) ist 

seit 1993 als Professor an 

der Fachhochschule 

Düsseldorf in der Automatisierungstechnik 

tätig. Er 

ist Sprecher des Competence-Center 

Automation 

Düsseldorf (CCAD) sowie 

Leiter der Forschungs- und Trainingsfabrik 

Fab21 und des Düsseldorfer Telelabors. Sein 

Interessensschwerpunkt liegt auf dem Gebiet 

der Internettechnologie für die Industrieautomation. 

Seit 2008 ist er 1. Vorsitzender des 

Vereins für Angewandte Automatisierungstechnik 

in Lehre und Entwicklung an Hochschulen 

VFAALE e.V.. 

Fachhochschule Düsseldorf, 

Fachbereich Elektrotechnik, 

Competence Center Automation Düsseldorf (CCAD), 

Josef-Gockeln-Str. 9, D-40474 Düsseldorf, 

Tel. +49 (0) 211 435 13 08, 

E-Mail: langmann@ccad.eu 

REFERENZEN 

[1] VDI/VDE-GMA: Cyber-Physical Systems:Chancen und 

Nutzen aus Sicht der Automation. – Thesen und 

Handlungsfelder, April 2013 

[2] Gritsai, G., Timorin, A., Goltsev, Y., Ilin, R., Goirdeychik, 

S., Karpin, A.: SCADA Safety in Numbers v1.1. - 

Survey of Positive Technologies, 2012, S. 17, 

www.ptsecurity.com 

[3] Kagermann, H., Wahlster, W., Helbig, J.: 

Umsetzungs empfehlungen für das Zukunftsprojekt 

Industrie 4.0. Abschlussbericht des Arbeitskreises 

Industrie 4.0, Forschungsunion Wirtschaft Wissenschaft, 

2013 

[4] Chase, J.: Die Zukunft des „Internet der Dinge“: 

Ein Ausblick. – Whitepaper Texas Instruments, 2013, 

http://www.ti.com/lit/ml/swrb028/swrb028.pdf 

[5] SOCRADES: EU-Project, 

http://www.socrades.eu, 2006 – 2009 

[6] IMC-AESOP: EU-Project, 

http://www.imc-aesop.eu, 2010 – 2013 

[7] Mathes, M., Stoidner, C., Heinzl, S., Freisleben, B.: 

SOAP4PLC: Web Services for Programmable 

Logic Controller. - 17th Euromicro International 

Conference on Parallel, Distributed and Networkbased 

Processing, S. 210-219, IEEE Computer 

Society Press, 2009 

[8] Honeywell Int Inc.: Cloud computing for an industrial 

automation and manufacturing system. - Patent, 

US000007970830B2, 01.04.2009 

[9] Thies, G., Vossen, G.: Web-Oriented Architectures: 

On the Impact of Web 2.0 on Service-Oriented 

Architectures. In: Tagungsband Asia-Pacific Services 

Computing Conference APSCC ‚08, S. 1075 – 1082. 

IEEE Conference Publications, 2008 

[10] Hinchcliffe, D: What Is WOA? It‘s The Future of 

Service-Oriented Architecture (SOA). 2008, 

http://hinchcliffe.org/archive/2008/02/27/16617.aspx 

[11] Etherios: Device Cloud. 2014, 

http://www.etherios.com/products/devicecloud/ 

[12] System LineMetrics: Die LineMetrics Plattform. 2014, 

http://www.linemetrics.com 

[13] Langmann, R.: Rent an Automation Service - 

Smarte Geschäftsmodelle für Industrie 4.0 In: 

Tagungsband GMA-Kongress AUTOMATION 2014, 

[CD] VDI 2014 

[14] CCAD: WOAS-Integrationsportal – 

Nutzerhinweise. – Düsseldorf, 2014, 

http://woas.ccad.eu 

[15] Langmann, R.: Ein Interface für CPS-basierte 

Automatisierungsgeräte. In: Tagungsband Konferenz 

für Angewandte Automatisierungstechnik in Lehre 

und Entwicklung (AALE 2014), S. 133 – 142. 

DIV Deutscher Industrieverlag, 2013 


10 / 2014 

61

Produkt & Unternehmen 

MSR-Spezialmesse in Bochum 

Die MEORGA veranstaltet am 

05. November im RuhrCongress 

Bochum eine regionale Spezialmesse 

für Prozessleitsysteme, 

Mess-, Regel- und Steuerungstechnik. 

Dort zeigen zirka 160 Fachfirmen 

der Mess-, Steuer-, Regel- und 

Automatisierungstechnik von acht 

Prozessleitsysteme, Mess-, Regel- und Steuerungstechnik zeigen zirka 

160 Fachfirmen bei der MSR-Spezialmesse in Dortmund. Bild: Meorga 

Neues Netzwerkbetriebssystem 

Belden präsentiert vielseitige neue Industrial Router- und Security-Appliance. 

Bild: Belden 

Belden Inc. hat die nächste Generation 

des industriellen 

Netzwerkbetriebssystems und 

Hardwaredesigns seiner Marke 

GarrettCom vorgestellt. Der 

Magnum 10RX, der zugleich Router- 

und Security-Appliance ist, 

bietet mehr Leistung und Sicherheit 

sowie größtmögliche Vielseitigkeit. 

Denn das Gerät unterstützt 

eine Reihe von Netzwerkprotokollen 

und sorgt für einen erweiterten 

Firewall-Schutz. 

Der Magnum 10RX bietet eine einfache 

Lösung mit einer Kombination 

aus Performance und Security in 

einem Produkt. Davon profitieren Belden 

zufolge alle industriellen Einsatzszenarien, 

in denen Zuverlässigkeit, 

Flexibilität und sichere Systeme ausschlaggebend 

sind, vor allem der Energieversorgungsbereich 

mit Stromübertragung 

und Stromverteilung (PT&D) 

sowie die Transportindustrie. (gz) 

www.belden.com 

bis 16 Uhr Geräte und Systeme, Engineering- 

und Serviceleistungen 

sowie neue Trends im Bereich der 

Automatisierung. 

Die Messe wendet sich an Fachleute 

und Entscheidungsträger, die 

in ihren Unternehmen für die Optimierung 

der Geschäfts- und Produktionsprozesse 

entlang der gesamten 

Wertschöpfungskette verantwortlich 

sind. Der Eintritt zur 

Messe und die Teilnahme an den 

Workshops sind für die Besucher 

kostenlos und sollen ihnen Informationen 

und interessante Gespräche 

ohne Hektik oder Zeitdruck 

ermöglichen. Für das leibliche 

Wohlergehen der Besucher 

sorgen kleine Snacks und Erfrischungsgetränke, 

die selbstverständlich 

ebenfalls gratis bereitgehalten 

werden. 

(gz) 

www.meorga.de 

Risikobeurteilung 

gemeinsam erstellt 

Die Qualität einer Risikobeurteilung 

hängt mittlerweile stark 

davon ab, wie gut der Ersteller sich 

in den aktuellen Normen und 

Grenzwerten auskennt – oder wie 

gut und aktuell seine Software ihn 

dabei unterstützt. Mangelnde Normenkenntnis 

kann so zu einer mangelhaften 

Risikobeurteilung führen. 

Im schlimmsten Fall kann so 

viel Zeit und Arbeit in einer Risikobeurteilung 

stecken, die den aktuellen 

gesetzlichen Anforderungen 

gar nicht mehr gerecht wird. 

Neben dem herkömmlichen Verfahren 

nach DIN EN ISO 12100 bietet 

die aktuelle CE-Software Docufy 

Machine Safety deshalb auch die 

Möglichkeit, die Risikobeurteilung 

anhand von Anforderungsvorlagen 

zu erstellen. Durch die Vorarbeit 

eines Normenexperten kann sich 

der Konstrukteur dabei auf das Wesentliche 

konzentrieren und auf Basis 

einer Vorlage die Risikobeurteilung 

anfertigen – und das schon bei 

der Entwicklung der Maschine.(gz) 

www.docufy.de 

62 


10 / 2014

Neue Manometer für eigensichere Ex-Bereiche 

Fünf eigensichere elektronische 

Manometer hat die Keller AG für 

Druckmesstechnik zum Einsatz in 

Gas-explosionsgefährdeten Bereichen 

vorgestellt. Die Zulassungen 

folgen der ATEX-Richtlinie für explosive 

Gase. Mit dem auf minimalen 

Energieverbrauch getrimmten elektronischen 

Design ist der Batteriewechsel 

auch innerhalb der explosionsgefährdeten 

Bereichen möglich. 

Die einfachste Ausführung, das Modell 

ECO 1 Ei, bietet bei hoher Auflösung 

und Reproduzierbarkeit für die 

beiden Messbereiche -1…30 bar und 

0…300 bar eine Genauigkeit von typ. 

0,5 %FS sowie einen integrierten Min/ 

Max-Speicher. Die elektronischen Manometer 

vom Typ LEO 1 Ei und LEO 2 

Ei bieten durch mikroprozessorgestützte 

Kompensation ein äußerst 

schmales Gesamtfehlerband (einschließlich 

Temperaturfehler) von nur 

Produkt & Unternehmen 

Turbimax überwacht direkt in der Leitung 

Der neue Trübungssensor Turbimax 

CUS52D überwacht die 

Qualität von Trink- und Prozesswasser 

direkt in der Leitung. 

Selbstreinigungsfunktionen für 

einen wartungsfreien Betrieb sowie 

elegantes Kalibrierzubehör 

machen den Sensor zu dem praktischen 

und sicheren Komplettpaket 

für jede Wasseraufbereitung. 

Selbst in klarstem Wasser misst 

der Turbimax CUS52D jede noch so 

geringe Trübung präzise und zuverlässig 

(nach ISO7027). Der optische 

Sensor ist so konstruiert, dass er von 

Zu- bis Auslauf in allen Messstellen 

der Wasserproduktion einsetzbar 

ist. Auf diese Weise überwacht er 

durchgängig die Wasserqualität mit 

einer Präzision, die Labormessungen 

oftmals noch übertrifft. 

Dank seines hygienischen Designs 

kann der CUS52D direkt in Rohrleitungen 

eingebaut werden. Zum einen 

sind so keine aufwendigen Bypass- 

Installationen mehr erforderlich. 

Zum anderen gehören Wasser- und 

Produktverluste der Vergangenheit 

an. Die Installation des Sensors gelingt 

im Handumdrehen. Er hat die 

digitale Memosens-Technologie und 

eine Werkskalibrierung bereits an 

Bord, so dass er „Plug&Play“ in den 

Prozess gebracht werden kann. (gz) 

www.endress.com 

Automatisch mehr Effizienz 

Eine vollautomatisierte Prozesskette in der 

Blechbearbeitung zeigt Kemper Storatec bei 

der EuroBlech. Bild: Kemper Storatec 

Der neue Trinkwassertrübungssensor 

Turbimax CUS52D 

als Eintauchvariante und als 

Variante mit hygienischem Clamp- 

Anschluss für den direkten Einbau in Rohrleitungen. 

Bild: Endress+Hauser 

Die Kemper Storatec GmbH bildet 

auf der Messe EuroBLECH eine 

Vollautomatisierung der Prozesskette 

bei Schneidverfahren ab. Von der Lagerung 

bis zur direkten Verarbeitung 

stellt der Hersteller von Systemen für 

die Intralogistik mit Sitz in Waltrop 

eine innovative Koppelung mehrerer 

Anlagen vor. In einer Live-Präsentation 

können sich Anwender von 

dem Nutzen des Systems überzeugen. 

Die Automatisierung sorgt für einen 

höheren Output bei Schneidanwendungen. 

Weil die Systeme von Kemper 

Storatec einen mannlosen Betrieb 

ermöglichen, ist ein geringerer manueller 

Einsatz nötig. 

Ein Materialtransportwagen 

(MTW) transportiert über ein Schienensystem 

die Bleche zu einer Beund 

Entladestation. Das Portal überträgt 

mittels einer Saugeinheit die 

Bleche auf den Wechseltisch für 

Schneidanlagen. Dort werden die 

Bleche weiterverarbeitet. Nach dem 

Schneidvorgang werden die fertigen 

Bleche ebenfalls automatisch mit einer 

Recheneinheit vom Wechseltisch 

entnommen und auf einem Bereitstellungstisch 

abgelegt (EuroBlech, 

21. bis 25. Oktober, Hannover, Halle 

12 an Stand B06). (gz) 

www.kemper-storatec.eu 

Transmitter schützt 

vor Anlagenausfall 

Emerson Process Managements 

neuer CSI 9360 Vibrations/Positions-Transmitter 

bietet den Nutzern 

und Herstellern eine wirtschaftliche 

Lösung zur Erweiterung 

des grundlegenden Schutzes 

für Kompressoren, Pumpen und 

Ventilatoren. Entwickelt mit der 

Implementierung von Spezifikationen 

der Original-Hersteller identifiziert 

der Transmitter entstehende 

Probleme der Gleitlager durch 

die Erfassung von Vibrationen oder 

Positionsdaten und deren Umsetzung 

in ein 4-20 mA-Signal zur 

Überwachung. Diese Frühwarnung 

ermöglicht den Kunden des Herunterfahren 

dieser Assets bevor 

schwerwiegende Schäden an der 

Ausrüstung auftreten, oder die Produktion 

beeinträchtigt wird. 

Mit seiner Flexibilität verhilft der 

CSI 9360 den Nutzern zu Kosteneinsparungen 

dadurch, dass nicht mehrere 

Arten von Transmittern eingesetzt 

werden müssen. Er ist im Feld 

konfigurierbar für drei Radialschwingungsbereiche 

oder Positionen 

mit invertierbarem Positionssignal, 

wählbaren Reaktionszeiten der 

Sensorschleife und optionalen Sensorfehler-Sperrzeiten. 

Während die 

meisten Transmitter auf Sensoren der 

Größe von 5 mm standardisiert sind, 

Der im Feld 

konfigurierbare 

CSI 9360 liefert 

Echtzeit-Informationen 

über 

rotierendes 

Equipment für 

operative 

Entscheidungen. 

Bild: Emerson 

www.emersonprocess.de 

unterstützt der 

CSI 9360 mehrere 

Größen von Wirbelstromsensoren. 

Zur einfachen 

Installation arbeitet 

der CSI 

9360 ohne Hilfsenergie, 

besitzt 

einen Standard- 

DIN-Hutschienenbefestigungsclip 

oder optionalen 

Panel- 

Mount-Adapter. 

Der CSI 9360 hat 

grundsätzlich 

CSA und ATEX 

(in Vorbereitung) 

Sicherheitsklassifizierung. 

(gz) 

64 


10 / 2014

Moxa tritt Fielbus 

Foundation bei 

Der Anbieter von Netzwerktechnik- 

und Kommunikationslösungen 

für die Öl- und Gasbranche 

Moxa ist der Fieldbus Foundation 

beigetreten. Innerhalb des Unterausschusses 

Remote Operations 

Management arbeitet Moxa gemeinsam 

mit den Hauptförderern, einschließlich 

Petrobras, Reliance und 

Saudi Aramco, an Spezifikationen 

für neue Technologien und Protokolle 

in der Prozessautomation. Als 

Teil der Initiative hat Moxa außerdem 

die technische Ausstattung 

für die Präsentation entsprechender 

Lösungen bei zahlreichen 

Endkunden, einschließlich der 

weltgrößten Ölraffinerie in Jamnagar, 

Indien, gespendet. 

„Moxa teilt die Vision der Fieldbus 

Foundation, durch den Einsatz einheitlicher 

Kommunikationsprotokolle 

und -Plattformen bessere Interoperabilität 

und größere Effizienz zu 

erzielen“, sagt Thomas Nuth, Global 

Manager Oil & Gas Vertical Marketing 

bei Moxa. Die Mitglieder der 

Fieldbus Foundation haben bereits 

das Interesse an einer Fernüberwachungslösung 

für Bohrtürme bekundet, 

die von Moxa und Terra Ferma, 

einem in Colorado ansässigen 

System integrator, entwickelt wurde. 

Thomas Nuth: „Moxa teilt die Vision 

der Fieldbus Foundation, durch den 

Einsatz einheitlicher Kommunikationsprotokolle 

und -Plattformen 

bessere Interoperabilität und größere 

Effizienz zu erzielen.“ Bild: Moxa 

www.moxa.com 

Neue Display-Serie für mehr Ergonomie 

B 

&R hat neue Displays mit verschiedenen 

Tragarmen vorgestellt. 

Die rundum geschlossenen 

Panels stehen in zahlreichen Varianten 

zur Verfügung und entsprechen 

der Schutzart IP65. Damit 

können Bedienterminals optimal 

an Maschinen platziert werden. 

Die Multitouch-Widescreen-Panels 

sind mit Diagonalen von 18,5“ 

bis 24“ und Auflösungen von HD 

Ready bis Full HD verfügbar. Durch 

die größeren Displays und die höheren 

Auflösungen können mehr 

Informationen pro Bildschirmseite 

untergebracht werden – ein großes 

Plus für die Benutzerergonomie. 

Ebenfalls erhältlich ist eine 

21,5“-Variante im Hochformat, sodass 

auch bei beengten Platzverhältnissen 

nicht auf großflächige Displays verzichtet 

werden muss. Zudem stehen 

2 Gerätevarianten im 4:3-Seitenverhältnis 

und mit analog-resistiven 

Touchscreens zur Verfügung. Damit 

können bestehende Visualisierungen 

ohne jegliche Softwareanpassung 

weiterverwendet werden. 

Die Panels werden mit kostengünstigen 

Standardkabeln durch den 

Tragarm verkabelt. Die maximal 

überbrückbare Distanz liegt bei 100 

Metern zwischen PC und Panel.(gz) 

www.br-automation.com 

Faulhaber verankert Philae auf Komet 

Die Displays der Serie Automation Panel sind 

in neun Tragarm-Ausführungen erhältlich. Auf 

Wunsch werden die Displays mit zusätzlichen 

Schaltelementen ausgestattet. Bild: B&R 

Das Landegerät Philae soll im November auf 

dem Kometen 67P/Tschurjumow- 

Gerasimenko aufsetzen und mit Hilfe zweier 

Faulhaber-Motoren am Boden gehalten 

werden. Bild: ESA/ATG medialab 

Im November soll das Landegerät 

Philae auf dem Kometen 67P/ 

Tschurjumow-Gerasimenko aufsetzen. 

Ein Problem dabei: Aufgrund 

seiner geringen Masse übt 

der Komet kaum Anziehungskraft 

aus. Statt wie auf der Erde 100 

Kilo gramm wiegt der in Deutschland 

entwickelte Landeroboter auf 

dem Kometen nur wenige Gramm. 

Er könnte leicht abprallen. Das 

soll ein spezielles Ankersystem 

verhindern: Unmittelbar nach Bodenkontakt 

bei der Landung werden 

zwei Harpunen per Treibladung 

abgeschossen und zurren 

den Lander über zwei Seilwinden 

auf der Kometenoberfläche fest. 

Angetrieben werden die Winden 

von je einem Faulhaber-Motor. 

Dank des Faulhaber-Know-hows 

bei Anwendungen im Weltraum 

sind nicht nur die Harpunen, sondern 

eine Vielzahl anderer Systeme 

des Landers mit Antrieben des 

gleichen Herstellers bestückt. So 

arbeiten Faulhaber DC-Motoren in 

den Instrumenten und Versuchsanlagen 

von Philae, um die Beschaffenheit 

und Zusammensetzung 

der Kometenoberfläche genau 

zu untersuchen. (gz) 

www.faulhaber.com 


10 / 2014 

65

IMPRESSUM / VORSCHAU 

IMPRESSUM 

VORSCHAU 

Verlag: 

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH 

Arnulfstraße 124, D-80636 München 

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 0 

Telefax + 49 (0) 89 203 53 66 99 


Geschäftsführer: 

Carsten Augsburger, Jürgen Franke 

Verlagsleiterin: 

Kirstin Sommer 

Spartenleiterin: 

Kirstin Sommer 

Herausgeber: 

Dr.rer.nat. Thomas Albers 

Dr. Gunther Kegel 

Dipl.-Ing. Hans-Georg Kumpfmüller 

Dr.-Ing. Wilhelm Otten 

Beirat: 

Dr.-Ing. Kurt Dirk Bettenhausen 

Prof. Dr.-Ing. Christian Diedrich 

Prof. Dr.-Ing. Ulrich Epple 

Prof. Dr.-Ing. Alexander Fay 

Prof. Dr.-Ing. Michael Felleisen 

Prof. Dr.-Ing. Georg Frey 

Dipl.-Ing. Thomas Grein 

Prof. Dr.-Ing. Hartmut Haehnel 

Dipl.-Ing. Tim-Peter Henrichs 

Dr.-Ing. Jörg Kiesbauer 

Dipl.-Ing. Gerald Mayr 

Dr.-Ing. Josef Papenfort 

Igor Stolz 

Dr. Andreas Wernsdörfer 

Dipl.-Ing. Dieter Westerkamp 

Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich 

Dr.rer.nat. Christian Zeidler 

Organschaft: 

Organ der GMA 

(VDI/VDE-Gesell schaft Messund 

Automatisierungs technik) 

und der NAMUR (Interessengemeinschaft 


der Prozessindustrie). 

Redaktion: 

Markus Hofelich (verantwortlich) 

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 33 

E-Mail: hofelich@di-verlag.de 

Gerd Scholz (gz) 

Einreichung von Hauptbeiträgen: 

Prof. Dr.-Ing. Leon Urbas 

(Chefredakteur, verantwortlich 

für die Hauptbeiträge) 

Technische Universität Dresden 

Fakultät Elektrotechnik 

und Informationstechnik 

Professur für Prozessleittechnik 

D-01062 Dresden 

Telefon +49 (0) 351 46 33 96 14 

E-Mail: urbas@di-verlag.de 

Fachredaktion: 

Dr.-Ing. Michael Blum 

Dipl.-Ing. Heinrich Engelhard 

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jasperneite 

Dr.-Ing. Bernhard Kausler 

Dr.-Ing. Niels Kiupel 

Prof. Dr.-Ing. Gerrit Meixner 

Dr.-Ing. Jörg Neidig 

Dipl.-Ing. Ingo Rolle 

Dr.-Ing. Stefan Runde 

Prof. Dr.-Ing. Frank Schiller 

Bezugsbedingungen: 

„atp edition – Automatisierungs technische 

Praxis“ erscheint monatlich mit Doppelausgaben 

im Januar/Februar und Juli/August. 

Bezugspreise: 

Abonnement jährlich: € 519,– + € 30,–/ € 35,– 

Versand (Deutschland/Ausland); 

Heft-Abonnement + Online-Archiv: € 704,70; 

ePaper (PDF): € 519,–; ePaper + Online-Archiv: 

€ 674,70; Einzelheft: € 59,– + Versand; 

Die Preise enthalten bei Lieferung in EU- 

Staaten die Mehrwertsteuer, für alle übrigen 

Länder sind es Nettopreise. Mitglieder der 

GMA: 30% Ermäßigung auf den Heftbezugspreis. 

Bestellungen sind jederzeit über den Leserservice 

oder jede Buchhandlung möglich. 

Die Kündigungsfrist für Abonnement aufträge 

beträgt 8 Wochen zum Bezugsjahresende. 

Abonnement-/Einzelheftbestellung: 

DataM-Services GmbH, Leserservice atp 

Herr Marcus Zepmeisel 

Franz-Horn-Str. 2, 97082 Würzburg 

Telefon + 49 (0) 931 417 04 59 

Telefax + 49 (0) 931 417 04 94 

leserservice@di-verlag.de 

Verantwortlich für den Anzeigenteil: 

Inge Spoerel 

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 22 

E-Mail: spoerel@di-verlag.de 

Kirstin Sommer (Key Account) 

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Es gelten die Preise der Mediadaten 2014 

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Druckerei Chmielorz GmbH, 

Ostring 13, 

D-65205 Wiesbaden-Nordenstadt 

Gedruckt auf chlor- und 

säurefreiem Papier. 

Die atp wurde 1959 als „Regelungstechnische 

Praxis – rtp“ gegründet. 

DIV Deutscher Industrieverlag 

GmbH München 

Die Zeitschrift und alle in ihr enthaltenen 

Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich 

geschützt. Mit Ausnahme der gesetzlich 

zugelassenen Fälle ist eine Verwertung ohne 

Ein willigung des Verlages strafbar. 

Gemäß unserer Verpflichtung nach § 8 

Abs. 3 PresseG i. V. m. Art. 2 Abs. 1c DVO 

zum BayPresseG geben wir die Inhaber 

und Beteiligungsverhältnisse am Verlag 

wie folgt an: 

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, 

Arnulfstraße 124, D-80636 München. 

Alleiniger Gesellschafter des Verlages 

ist die ACM-Unternehmensgruppe, 

Ostring 13, 

D-65205 Wiesbaden-Nordenstadt. 

ISSN 2190-4111 

DIE AUSGABE 11 / 2014 DER 

ERSCHEINT AM 04.11.2014 

MIT DEM SCHWERPUNKT 

„AUTOMATION DER AUTOMATION“ 

Modellierung industrieller 

Kommunikationssysteme 

mit AutomationML 

Anlagendiagnose in der 

industriellen Produktion 

Dezentrale Intelligenz für 

modulare Automation – 

Lösungsansätze für die 

Realisierung modularer 

Anlagen 

Dienste in der 


Aus aktuellem Anlass können sich die Themen 

kurzfristig verändern. 

LESERSERVICE 

E-MAIL: 

leserservice@di-verlag.de 

TELEFON: 

+ 49 (0) 931 417 04 59 

66 


10 / 2014

Process Control 

Systems Engineering 

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

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

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

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

interaction between process modularization and process automation methods. This 

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

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

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

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

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

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

Editor: Leon Urbas 

1 st edition 2012 

204 pages, content in English, 

165 x 230 mm, hardcover 

ISBN: 978-3-8356-3198-4 

Price € 49,80 



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KNOWLEDGE FOR THE 

FUTURE 

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Deutscher Industrieverlag GmbH | Arnulfstr. 124 | 80636 München 

Yes, I place a firm order for the technical book. Please send 

— copies of the Process Control Systems Engineering 

1st edition 2012 (ISBN: 978-3-8356-3198-4) 

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PAPCSE2014

atp Kompaktwissen 

Band 1 – 

Erfolgreiches Engineering 

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

Buch + CD-ROM für € 79,– 

ISBN 978-3-8356-3210-3 

Band 3 – 

Praktische Messtechnik 



ISBN 978-3-8356-3213-4 

Band 5 – 

Industrielle Informationssicherheit 

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

Buch für € 59,– 

ISBN 978-3-8356-7113-3 

atp kompakt Kollektion (Bände 1-6) 

€ 299,80 

ISBN 978-3-8356-7146-1 

Band 2 – 

Effiziente Kommunikation 



ISBN 978-3-8356-3212-7 

Band 4 – 

Automation in der Wasserbranche 



ISBN 978-3-8356-3226-4 

Band 6 – 

Safety in der Praxis 

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

Buch für € 59,– 

ISBN 978-3-8356-7115-7 




Bestellung per Fax: +49 (0) 201 Deutscher / 82002-34 Industrieverlag GmbH oder | Arnulfstr. abtrennen 124 und | 80636 im München Fensterumschlag einsenden 

Ja, ich bestelle gegen Rechnung 3 Wochen zur Ansicht 

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ISBN: 978-3-8356-7146-1 für € 299,80 (zzgl. Versand) 


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









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Brief, Fax, E-Mail) oder durch Rücksendung der Sache widerrufen. Die Frist beginnt nach Erhalt dieser Belehrung in Textform. 

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

Versandbuchhandlung, Friedrich-Ebert-Straße 55, 45127 Essen. 




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

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