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

atp edition

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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.

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Instrumentierung, herausragende

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

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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

6

atp edition

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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

atp edition

10 / 2014

7

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

8

atp edition

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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

atp edition

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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

atp edition

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

atp edition

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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

atp edition

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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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atp edition

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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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atp edition

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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

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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

atp edition

10 / 2014

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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



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




atp edition ist das Fachmagazin für die Automatisierungstechnik.

Die Qualität der wissenschaftlichen Hauptbeiträge

sichert ein strenges Peer-Review-Verfahren. Bezug zur

automatisierungstechnischen Praxis nehmen außerdem

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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

atp edition

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

atp edition

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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

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atp edition

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.

atp edition

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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

Durchschnitt 5 min

Durchschnitt 1 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

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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

Durchschnitt 15 min

BILD 3: Spanne des Energieverbrauchs

TABELLE 1: Verbraucher

und Kostenkalkulation

(Schätzwerte)

Durchschnitt 5 min

Durchschnitt 1 min

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-

atp edition

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

atp edition

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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)

atp edition

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,...)

Komp.-Schnistellen

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

Komp.-Schnistellen

Komp.-Schnistellen

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

atp edition

10 / 2014

REFERENZEN

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applications of coordinated groups of thermal household

appliances for power system control purposes. In: Proc.

IEEE PES/IAS Conference on Sustainable Alternative

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für das Lastmanagement von Kleinverbrauchern.

Dissertation, Universität Oldenburg, 2012

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Zeitverhalten verteilter Anlagen. atp edition - Automatisierungstechnische

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

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

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

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

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

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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

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

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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.

HTW Berlin, FB1,

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.

HTW Berlin, FB1,

Wilhelminenhofstr. 75A,

D-12459 Berlin,

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

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

atp edition

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

atp edition

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

atp edition

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

atp edition

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

atp edition

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

atp edition

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

atp edition

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

atp edition

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.

MANUSKRIPTEINGANG

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

atp edition

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

die Herausforderung bei der Digitalisierung der Anlage ein. Das Handbuch

wurde von fast 50 Experten mit umfassenden Praxiskenntnissen gestaltet

und deckt das gesamte Feld der Prozessautomatisierung ab.

Hrsg.: K. F. Früh, Uwe Maier, Dieter Schaudel

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5. Auflage – ISBN: 978-3-8356-7119-5

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PAHBPA2014




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

atp edition

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.

atp edition

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

atp edition

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

atp edition

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 -

atp edition

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

atp edition

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.

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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

atp edition

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

MANUSKRIPTEINGANG

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

atp edition

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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

atp edition

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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.

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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

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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:

atp edition

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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

atp edition

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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

atp edition

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

atp edition

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

Virtual Device

Protocol Gateway


AG mit interner IP-Schnittstelle

VD -T

Ty

p 3

Virtual Device

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)

atp edition

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

atp edition

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

MANUSKRIPTEINGANG

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

atp edition

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

atp edition

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

atp edition

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

atp edition

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

www.di-verlag.de

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

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„atp edition – Automatisierungs technische

Praxis“ erscheint monatlich mit Doppelausgaben

im Januar/Februar und Juli/August.

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

Versand (Deutschland/Ausland);

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€ 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.

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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:

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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.

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leserservice@di-verlag.de

TELEFON:

+ 49 (0) 931 417 04 59

66

atp edition

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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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


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