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atp edition Dezentrale Intelligenz für modulare Automation (Vorschau)

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11 / 2014<br />

56. Jahrgang B3654<br />

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH<br />

Automatisierungstechnische Praxis<br />

<strong>Dezentrale</strong> <strong>Intelligenz</strong> <strong>für</strong><br />

<strong>modulare</strong> <strong>Automation</strong> | 34<br />

Kommunikation mit<br />

<strong>Automation</strong>ML beschreiben | 44<br />

Wissensbasierte Auswahl<br />

von Prinziplösungen | 52<br />

Robustheit industrieller<br />

Produktionsnetze | 64


„ Wir spüren Effizienzreserven<br />

auf. “<br />

Yokogawa Experte <strong>für</strong><br />

Feldinstrumentierung<br />

Steigerung der Anlagen-Produktivität.<br />

Ist eine Anlage jahrzehntelang in Betrieb, entspricht ihre Automatisierung<br />

oft nicht mehr dem Stand der Technik. So verschenken viele Betreiber<br />

wertvolle Potenziale. Wir helfen Ihnen, diese Effizienzreserven zu erschließen.<br />

Wir optimieren Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit. Wir steigern die<br />

umwelt- und ressourcenschonende, energieeffiziente Produktion – <strong>für</strong> alle,<br />

die nicht nur automatisieren, sondern auch wirtschaften wollen.<br />

Zukunft entwickeln mit Automatisierung.<br />

Yokogawa Deutschland GmbH<br />

Broichhofstraße 7-11<br />

D-40880 Ratingen<br />

Telefon +49(0)2102- 4983-0<br />

Telefax +49(0)2102- 4983-22<br />

www.yokogawa.com/de<br />

info@de.yokogawa.com


EDITORIAL<br />

<strong>Dezentrale</strong> <strong>Intelligenz</strong> –<br />

neue Wege in der<br />

Prozessautomatisierung<br />

Mit dezentraler <strong>Intelligenz</strong> in der Prozessautomation stellt die Namur<br />

ein richtungsweisendes Zukunftsthema in den Mittelpunkt<br />

ihrer diesjährigen Hauptsitzung.<br />

Wir haben in den vergangenen Jahren vielfältige Diskussionen,<br />

Vorträge, Veröffentlichungen, Projektrealisierungen und sogar Firmengründungen<br />

erlebt, die sich mit dem Thema der <strong>modulare</strong>n Prozessanlage<br />

<strong>für</strong> mehr Flexibilität in der Prozessindustrie auseinandergesetzt<br />

haben. Die entstandenen Konzepte und Realisierungen<br />

mit <strong>modulare</strong>n Strukturen nähern sich den Organisationsformen der<br />

<strong>modulare</strong>n Fertigungsindustrie an, bei denen das Medium von Modul<br />

zu Modul weitergegeben wird. Die Verfahrenstechniker haben uns<br />

damit Methoden aufgezeigt, wie die moderne Produktion in der Prozessindustrie<br />

organisiert sein kann.<br />

Die Prozessautomation muss diese Herausforderungen annehmen,<br />

denn eine <strong>modulare</strong> Anlagenstruktur kann nicht mit zentralen Automatisierungsstrukturen<br />

geführt werden. Zur Abbildung der Modularität<br />

der Verfahrenstechnik in der <strong>Automation</strong> müssen die Module<br />

eine eigene <strong>Intelligenz</strong> besitzen. Nur mit dieser <strong>Intelligenz</strong> werden<br />

die Module befähigt, sich selbstständig im Netzwerk einzugliedern.<br />

<strong>Dezentrale</strong> <strong>Intelligenz</strong> ist daher das wesentliche Element der modernen,<br />

<strong>modulare</strong>n Prozessautomation.<br />

Wir haben jetzt die Möglichkeit, dezentrale <strong>Intelligenz</strong> sinnvoll,<br />

das bedeutet offen, flexibel und kostengünstig, zu implementieren.<br />

Dies muss ohne proprietäre Ansätze geschehen sondern vielmehr auf<br />

offenen, industriell akzeptierten Schnittstellen basieren.<br />

Die Akzeptanz und anschließende Standardisierung der Methoden<br />

der <strong>modulare</strong>n <strong>Automation</strong> mit dezentraler <strong>Intelligenz</strong> sollte unser Ziel<br />

sein und bildet damit einen wichtigen Grundstein <strong>für</strong> Industrie 4.0.<br />

Ich freue mich daher auf eine rege und vielfältige Diskussion auf<br />

der diesjährigen Namur-Hauptsitzung zu dem ersten Lösungsansatz<br />

Dima (<strong>Dezentrale</strong> <strong>Intelligenz</strong> <strong>für</strong> Modulare Anlagen), der auch in<br />

einem Hauptbeitrag der vorliegenden Ausgabe vorgestellt wird. Dies<br />

verbunden mit der Zuversicht, durch Dima eine allseits akzeptierte<br />

Basis <strong>für</strong> die <strong>modulare</strong> <strong>Automation</strong> mit dezentraler <strong>Intelligenz</strong> zu<br />

schaffen.<br />

SVEN HOHORST,<br />

Geschäftsführender<br />

Gesellschafter<br />

Wago Kontakttechnik GmbH<br />

& Co.KG<br />

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

11 / 2014<br />

3


INHALT 11 / 2014<br />

FORSCHUNG<br />

6 | Industrie 4.0: IOSB reduziert mit einer universellen<br />

Schnittstelle den Inbetriebnahmeaufwand massiv<br />

Zukunftsszenarien: Smart Blueprint 3D modelliert<br />

Arbeitsprozesse <strong>für</strong> intelligente Fabrik<br />

7 | Schlechte Sicht, Strömung, Wellen: Studenten aus Bremen<br />

gewinnen Wettbewerb der Tauchroboter<br />

Roboter holt Opfer aus der Gefahrenzone<br />

VERBAND<br />

8 | Milliardenverluste der Wirtschaft: Elektroindustrie<br />

drängt auf Strategie <strong>für</strong> die Cyber-Sicherheit<br />

Call for <strong>atp</strong> experts: Lebenszyklusmanagement<br />

von IKT und <strong>Automation</strong><br />

9 | Sensorik und Messtechnik: Innovationspreis<br />

<strong>für</strong> Forschungsprojekte mit Marktrelevanz<br />

ZVEI will Industrie 4.0 vorantreiben<br />

Namur trauert um Bernhard Will<br />

BRANCHE<br />

10 | Powerlink eröffnet neues Technologiezentrum<br />

an chinesischer Tianjin University<br />

Profinet ist nun nationaler chinesischer Standard<br />

Namur-Schnittstelle <strong>für</strong> Engineering-Daten<br />

11 | Wie findet die jüngste industrielle Revolution Eingang<br />

in die Praxis der Unternehmen?<br />

Prozessautomation soll 2014 um sechs bis sieben Prozent<br />

zulegen – Abschwächung erwartet<br />

12 | Integration statt Konkurrenz: Fieldbus und HART<br />

schließen sich zur FieldComm Group zusammen<br />

RUBRIKEN<br />

3 | Editorial<br />

71 | Produkt & Unternehmen<br />

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

4<br />

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

11 / 2014


PRAXIS<br />

16 | FDI Device Package läutet neue<br />

Ära <strong>für</strong> die Feldbustechnik ein:<br />

ein Gerät, ein Paket, alle Tools<br />

20 | Durch <strong>modulare</strong> Automatisierung<br />

gewinnen die Anlagenbetreiber neue<br />

Flexibilität und Effizienz<br />

22 | Smartglass und Smartwatch erlauben eine völlig<br />

neue Dimension der Steuerung von Anlagen<br />

25 | Experten fragen, Experten antworten:<br />

Missverständnisse rund um SIL<br />

26 | Automatisierungstechnik in Anlandestation <strong>für</strong><br />

Erdgas gewährleistet höchste Zuverlässigkeit<br />

30 | Lichtwellenleiter im Industrieeinsatz:<br />

Robuste Komponenten trotzen widrigen<br />

Bedingungen<br />

Produkte,<br />

Systeme<br />

und Service<br />

<strong>für</strong> die<br />

Prozessindustrie?<br />

Natürlich.<br />

HAUPTBEITRÄGE<br />

34 | <strong>Dezentrale</strong> <strong>Intelligenz</strong> <strong>für</strong><br />

<strong>modulare</strong> <strong>Automation</strong><br />

T. HOLM, M. OBST, A. FAY, L. URBAS, T. ALBERS,<br />

S. KREFT UND U. HEMPEN<br />

44 | Kommunikation mit<br />

<strong>Automation</strong>ML beschreiben<br />

M. RIEDL, A. LÜDER, B. HEINES UND R. DRATH<br />

52 | Wissensbasierte Auswahl<br />

von Prinziplösungen<br />

M. RIEDEL UND A. FAY<br />

64 | Robustheit industrieller<br />

Produktionsnetze<br />

G. HARTUNG UND T. DOEHRING<br />

Ist Ihre Produktionsanlage auf dem<br />

neuesten Stand? Sind alle Korrekturen<br />

im Leitsystem eingespielt? Sind alle<br />

Sicherheitslücken geschlossen?<br />

Ist Ihr System gegen Cyber-Angriffe<br />

und Bedrohungen geschützt?<br />

Läuft Ihre Anlage optimal? Ist sie<br />

vollständig und korrekt konfiguriert?<br />

<strong>Automation</strong> Sentinel gibt die Antwort.<br />

Keine Sicherheit ohne <strong>Automation</strong><br />

Sentinel.<br />

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neben maßgeschneiderten<br />

Leitsystemen ein umfassendes<br />

Portfolio <strong>für</strong> die Instrumentierung,<br />

herausragende Produkte und<br />

Lösungen <strong>für</strong> die Analysentechnik<br />

sowie erstklassigen Service bietet?<br />

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ABB <strong>Automation</strong> GmbH<br />

Tel.: +49 (0) 1805 26 67 76<br />

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FORSCHUNG<br />

Industrie 4.0: IOSB reduziert mit einer universellen<br />

Schnittstelle den Inbetriebnahmeaufwand massiv<br />

AUSGEZEICHNET:<br />

Dr.-Ing. Miriam Schleipen<br />

und Dr.-Ing. Olaf Sauer<br />

erhielten den Innovationspreis<br />

NEO 2014 <strong>für</strong> ihre<br />

Arbeit an einer universellen<br />

Schnittstelle <strong>für</strong> die Fabrik<br />

der Zukunft.<br />

Bild: Fraunhofer IOSB<br />

Das Karlsruher Fraunhofer Institut <strong>für</strong> Optronik, Systemtechnik<br />

und Bildauswertung (IOSB) hat den Innovationspreis<br />

NEO 2014 der TechnologieRegion Karlsruhe<br />

(TRK) gewonnen. Die mit 20.000 Euro dotierte<br />

Auszeichnung nahmen Dr.-Ing. Miriam Schleipen und<br />

Dr.-Ing. Olaf Sauer im Technologiepark Karlsruhe entgegen.<br />

Die beiden Forscher arbeiten an einer universellen<br />

Schnittstelle <strong>für</strong> die Fabrik der Zukunft. Die Jury urteilte:<br />

Diese Idee ist von globaler Bedeutung <strong>für</strong> die Industrie.<br />

In der Industrie 4.0 sind intelligente Anlagenkomponenten,<br />

Maschinen und Anlagen sowie IT-Systeme miteinander<br />

vernetzt, sodass jede Komponente der Fabrik<br />

über die relevanten ‚Partner‘ mit ihren Fähigkeiten informiert<br />

ist. Tatsächlich existieren aber heute auf jeder<br />

Ebene der Fabrik diverse heterogene Softwaresysteme<br />

mit Schnittstellen, die bei jeder Änderung manuell angepasst<br />

oder umprogrammiert werden müssen. Sie sind<br />

damit aufwendig und fehleranfällig.<br />

Nach dem Prinzip einer USB-Schnittstelle können mit<br />

dem Ansatz der Fraunhofer-Forscher Teile der Anlage ei-<br />

genständig Daten austauschen. Der Vorteil: Die steuernde<br />

Software kann neue oder geänderte Systemkomponenten<br />

schnell und unkompliziert erkennen und alle Informationen<br />

werden zur automatischen Integration in den Produktionsablauf<br />

übertragen. ‚Plug and Work‘ lauten Motto<br />

und Methode, und zwar unter Nutzung offener Standards,<br />

die bereits heute in der Industrie eingesetzt werden. So<br />

müssen keine zusätzlichen Schnittstellen oder Treiber<br />

programmiert und auf die Anlagen abgestimmt werden.<br />

Beim IOSB ist man sicher: Der Ansatz einer universellen<br />

Schnittstelle auf Basis offener Industriestandards<br />

funktioniert. Das habe man bereits in Zusammenarbeit<br />

mit produzierenden Unternehmen bewiesen. Durch die<br />

universelle Schnittstelle könnten die Aufwände zur Inbetriebnahme<br />

von Maschinen um rund 20 Prozent reduziert<br />

werden und diejenigen zur Anbindung von Anlagen<br />

und Steuerungen an ein übergeordnetes Manufacturing<br />

Execution System um rund 70 Prozent.<br />

Aktuell werden die Technologien in einem weiteren<br />

Verbundprojekt weiterentwickelt: im Projekt Secure-<br />

PlugandWork (www.secureplugandwork.de) steht im<br />

Vordergrund, dass das Einklinken in das Produktionssystem<br />

nur autorisierten Teilnehmern (Komponenten,<br />

Maschinen und IT-Systemen) erlaubt ist und dass die<br />

Kommunikation der Fähigkeiten verschlüsselt wird, so<br />

dass sie niemand unerlaubt mithören kann. Partner ist<br />

unter anderem die Karlsruher Firma Wibu Systems, die<br />

ebenfalls <strong>für</strong> den NEO 2014 nominiert war. (gz)<br />

FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR OPTRONIK,<br />

SYSTEMTECHNIK UND BILDAUSWERTUNG IOSB,<br />

Fraunhoferstraße 1, D-76131 Karlsruhe,<br />

Tel. +49 (0) 721 609 10,<br />

Internet: www.iosb.fraunhofer.de<br />

6<br />

Zukunftsszenarien: Smart Blueprint 3D modelliert<br />

Arbeitsprozesse <strong>für</strong> intelligente Fabrik<br />

Unternehmen auf dem Weg zu Industrie 4.0 müssen<br />

Prozesssicherheit, Kompetenzen und Mitarbeiterakzeptanz<br />

<strong>für</strong> die neuen Technologien gewährleisten, um<br />

diese erfolgreich einzuführen. Da<strong>für</strong> entwickelt das<br />

Fraunhofer-IAO das Tool ‚Smart Blueprint 3D‘. Es soll<br />

digital unterstützte Arbeitsprozesse modellieren und<br />

die komplexe Interaktion zwischen Mensch, Objekten<br />

und Software leicht verständlich darstellen. Das Tool<br />

hilft abzubilden, wie sich die verschiedenen technologischen<br />

Migrationsstufen der Digitalisierung auf die<br />

Arbeitsprozesse auswirken. „Smart Blueprint 3D hilft<br />

Unternehmen zum einen, während der Umstellung auf<br />

die intelligente Produktion schlagkräftig zu bleiben.<br />

Zum anderen können Migrationsschritte besser beherrscht<br />

und Risiken frühzeitig erkannt werden, die sich<br />

durch fehlende Kompetenzen ergeben“, erklärt David<br />

Kremer, der <strong>für</strong> das Projekt verantwortlich zeichnet.<br />

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

11 / 2014<br />

Langfristig soll Smart Blueprint 3D veränderte Arbeitsprozesse<br />

mittels Virtueller Realität simulieren.<br />

Neue Szenarien der Mensch-Technik-Interaktion werden<br />

mit Avataren direkt erlebbar. „Prozessverantwortliche<br />

können sich so direkt in die Rolle der Produktionsmitarbeiter<br />

hineinversetzen. Auf dieser Grundlage können<br />

Arbeitsschritte viel besser auf die Anforderungen guter<br />

Arbeitsbedingungen zugeschnitten werden“, so Kremer.<br />

Im Rahmen der Entwicklung von ‚Smart Blueprint 3D‘<br />

bietet das Fraunhofer-IAO Unternehmen mehrere Möglichkeiten<br />

zur Kooperation an. Dazu zählen Workshops<br />

oder die Beteiligung an zwei Projektskizzen. (gz)<br />

FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR ARBEITSWIRTSCHAFT<br />

UND ORGANISATION IAO,<br />

Nobelstr. 12, D-70569 Stuttgart,<br />

Tel. +49 (0) 711 97 00, Internet: www.iao.fraunhofer.de


Schlechte Sicht, Strömung, Wellen: Studenten aus<br />

Bremen gewinnen Wettbewerb der Tauchroboter<br />

Das Studententeam der Universität Bremen und des<br />

DFKI siegte mit seinem Unterwasserroboter bei der<br />

‚Student Autonomous Underwater Challenge – Europe‘<br />

(SAUC-E) mit ihrem Unterwasserfahrzeug Avalon. Es<br />

teilte sich den ersten Platz mit dem Team SAUC‘ISSE des<br />

Ecole d’ingénieurs et centre de recherche (ENSTA) aus<br />

der Bretagne. Wissenschaftler der Universität Bremen<br />

und des Robotics Innovation Centers des DFKI betreuten<br />

die Bremer Studierenden der Arbeitsgruppe Robotik<br />

unter Leitung von Prof. Dr. Frank Kirchner.<br />

Zu den neuen Herausforderungen zählte in diesem Jahr<br />

unter anderem das Inspizieren und Kartografieren von<br />

Unterwasserstrukturen sowie das Auffinden von Schadstellen<br />

an einer Hafenwand. Aber auch die Kooperation<br />

mit einem autonomen Fahrzeug an der Wasseroberfläche<br />

war eine neue Aufgabe im Wettbewerb. Die beiden Bremer<br />

Fahrzeuge Avalon und Excalibur agierten autonom<br />

und unterstützten sich gegenseitig bei der Inspektion.<br />

Der Mittelmeerhafen in La Spezia bot realistische Testbedingungen<br />

– das Wasser ist salzig, die Sicht ist<br />

schlecht. Strömung und Wellen wirken auf die Fahrzeuge.<br />

Die Stärken des Bremer Unterwasserroboters liegen<br />

in der Verarbeitung und Interpretation von Sonardaten,<br />

in der ausgefeilten adaptiven Missionsplanung sowie<br />

der sehr guten Lokalisierung.<br />

Das mit nur 1,5 Metern Länge und einem Durchmesser<br />

von 24,6 Zentimetern sehr kleine AUV Avalon (Autonomous<br />

Vehicle for Aquatic Learning, Operation and<br />

Navigation) ist <strong>für</strong> den Einsatz in engen, hindernisreichen<br />

DAS STUDENTEN-<br />

TEAM von DFKI<br />

und Uni Bremen<br />

gewann den<br />

Wettbewerb der<br />

Unterwasserroboter<br />

im Mittelmeerhafen<br />

in<br />

La Spezia.<br />

Bild: DFKI/Malte Ellberg<br />

Gewässern geeignet. Durch sein geringes Gewicht von<br />

etwa 63 Kilogramm ist es im operativen Einsatz leicht zu<br />

handhaben. Das System ist beweglich und kann so filigrane<br />

Aufgaben bewältigen. Dank seines robusten Druckkörpers<br />

erreicht es eine Tauchtiefe von 150 Metern.<br />

Avalon wurde von Studierenden der Universität Bremen<br />

(AG-Robotik, FB3) und Mitarbeitern des Deutschen Forschungszentrums<br />

<strong>für</strong> Künstliche <strong>Intelligenz</strong> (DFKI), Robotics<br />

Innovation Center (RIC) in den Jahren von 2007 bis 2009<br />

entwickelt und wird ständig optimiert. <br />

(gz)<br />

DEUTSCHES FORSCHUNGSZENTRUM FÜR KÜNST-<br />

LICHE INTELLIGENZ, ROBOTICS INNOVATION CENTER,<br />

Robert-Hooke-Str. 1, D-28359 Bremen,<br />

Tel. +49 (0) 421 17 84 50, Internet: robotik.dfki-bremen.de<br />

Roboter holt Opfer aus der Gefahrenzone<br />

Der Roboter des Teams vom Fraunhofer FKIE war am<br />

schnellsten: Sieben Minuten vor der zweitplatzierten<br />

Mannschaft hatte der Roboter eine Puppe, die einen Verwundeten<br />

Soldaten darstellen sollte, aus einer Gefahrenzone<br />

herausgebracht. Diese Aufgabe bewältigte der<br />

Roboter bei der M-Elrob, der militärischen Version der<br />

Europäischen Leistungsschau Robotik, die diesmal in<br />

Warschau stattfand. Dort geht es darum zu demonstrieren,<br />

wie Roboter im militärischen Umfeld zum Schutz<br />

der Soldaten beitragen können.<br />

Der Fraunhofer-Roboter verwendete <strong>für</strong> die Bergung<br />

einen Roboterarm, in dessen Greifer sich ein Karabinerhaken<br />

befindet. Der Arm schiebt sich dann langsam unter<br />

den Schultergurt der Schutzweste des Verwundeten und<br />

hakt schließlich ein. Mit einem Schleppseil zieht der Roboter<br />

den Verwundeten dann aus der Gefahrenzone. Das<br />

Team FKIE nutzte eine eigens entwickelte Steuerung,<br />

mit der die Armbewegung des Benutzers auf den Roboterarm<br />

übertragen wird. Für die neuartige Armsteuerung<br />

erhielt das Team zusätzlich den Sonderpreis ‚Best<br />

Novel Scientific Solution‘.<br />

Das ‚Retten eines Verwundeten aus unsicherer Lage‘,<br />

war erstmalig eine Disziplin bei der M-Elrob. Neun Teams<br />

versuchten sich an der Rettung von Übungspuppen, die<br />

BERGUNGSROBOTER<br />

DES FKIE:<br />

Das Fraunhofer-Team<br />

konnte die Puppe, die<br />

einen Verwundeten<br />

simuliert, am<br />

schnellsten aus der<br />

Gefahrenzone holen.<br />

Bild: Fraunhofer-FKIE<br />

in einem weitläufigen Gelände versteckt wurden. In der<br />

achtjährigen Geschichte der Elrob beschäftigten sich die<br />

Roboter bisher hauptsächlich mit der Erkundung und<br />

Aufklärung von gefährlichen Umgebungen wie mit der<br />

Suche nach versteckten Sprengfallen (IED). (gz)<br />

FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR KOMMUNIKATION,<br />

INFORMATIONSVERARBEITUNG UND ERGONOMIE FKIE,<br />

Fraunhoferstraße 20,<br />

D-53343 Wachtberg-Werthhoven,<br />

Tel. +49 (0) 228 943 50, Internet: www.fkie.fraunhofer.de<br />

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

11 / 2014<br />

7


VERBAND<br />

Milliardenverluste der Wirtschaft: Elektroindustrie<br />

drängt auf Strategie <strong>für</strong> die Cyber-Sicherheit<br />

Die im ZVEI zusammengeschlossene Elektroindustrie<br />

sieht im Schutz des Know-how einen strategischen<br />

Faktor zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit der deutschen<br />

Industrie. Daher begrüße sie den Entwurf des IT-<br />

Sicherheitsgesetzes der Bundesregierung, betont der ZVEI.<br />

Der Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie<br />

biete darüber hinaus seine Unterstützung <strong>für</strong> eine<br />

praxistaugliche Weiterentwicklung des Entwurfs an. Ziel<br />

müsse es sein, den Qualitätsstandard Made in Germany<br />

<strong>für</strong> die Cyber-Sicherheit in der Industrie weltweit auszubauen.<br />

Deutschland könne durch eine strategische Ausrichtung<br />

seiner Industriepolitik auf die Industrial-IT-Security<br />

seine führende Technologieposition stärken, die<br />

Wettbewerbsfähigkeit erhalten und als Modell <strong>für</strong> eine<br />

sichere Umsetzung des Industrie-4.0-Konzepts dienen.<br />

Mit Blick auf die langfristige Gestaltung der Cyber-<br />

Sicherheit in Deutschland, seien die von der Politik geplanten<br />

Maßnahmen zur Technologischen Souveränität<br />

zu konkretisieren. So solle bei öffentlichen Beschaffungen<br />

der Anforderungskatalog um das Kriterium Sicherheit<br />

ergänzt werden. Zusätzlich schlägt der ZVEI<br />

eine stärkere Förderung zukunftsgewandter und tech-<br />

VORAUS-<br />

SETZUNG FÜR<br />

INDUSTRIE 4.0:<br />

Cybersicherheit<br />

muss<br />

garantiert sein.<br />

Bild: Thomas<br />

Ernsting/LAIF<br />

nologieoffener Sicherheitsforschung vor. Insgesamt bietet<br />

der Verband an, den Dialog zwischen der Politik und<br />

der Elektroindustrie zu vertiefen, um realistische Umsetzungsschritte<br />

zu diskutieren.<br />

Als Aufgabe der Industrie sieht der ZVEI die Etablierung<br />

eines ‚Code of Conduct‘ <strong>für</strong> das Internet der Dinge<br />

an. Zugleich sei es wichtig, bei allen Konzepten den<br />

Faktor Mensch angemessen zu berücksichtigen. Wirksame<br />

Konzepte müssten beispielsweise die Qualifikation,<br />

das Bewusstsein (Awareness) und Verhaltensweisen<br />

der Menschen einbeziehen.<br />

Grundlegend sei zudem ein erweitertes Verständnis<br />

von Cyber-Sicherheit, das sich vom gebräuchlichen IT-<br />

Sicherheitsbegriff unterscheide. Cyber-Sicherheit umfasse<br />

die sichere Verbindung physischer Einheiten – wie<br />

Maschinen und Steuerungseinheiten – mit dem externen<br />

virtuellen Raum, vordergründig dem Internet.<br />

Wichtiges Ziel sei, das Know-how effektiv vor Cyberspionage<br />

und -kriminalität zu schützen. Laut dem amerikanischen<br />

Zentrum <strong>für</strong> strategische und internationale<br />

Studien erleide Deutschland durch solche Angriffe<br />

den größten volkswirtschaftlichen Schaden weltweit.<br />

Die Studie beziffere <strong>für</strong> das Jahr 2013 den Schaden <strong>für</strong><br />

die gesamte Wirtschaft auf 1,6 Prozent des deutschen<br />

BIP. Das entspricht rund 44 Milliarden Euro jährlich.<br />

Cyber-Sicherheit werde vor diesem Hintergrund zum<br />

strategischen Faktor <strong>für</strong> den Industriestandort Deutschland.<br />

Sein Positionspapier zum Thema bietet der ZVEI<br />

auf seiner Homepage zum Download an. (gz)<br />

ZVEI – ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK- UND<br />

ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V.,<br />

Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main,<br />

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

Lebenszyklusmanagement von IKT und <strong>Automation</strong><br />

IN AUSGABE 57(5) DER ATP EDITION im<br />

Mai 2015 werden Ansätze und Methoden<br />

zum Lifecyclemanagement diskutiert. Dieser<br />

Aspekt gewinnt in der <strong>Automation</strong> angesichts<br />

steigender Komplexität der Aufgaben,<br />

höheren Anforderungen an Funktionalität,<br />

Flexibilität und Transparenz sowie<br />

hohen Innovationsdrücken aus der IKT<br />

zunehmend an Bedeutung. Mit Ihren fokussierten<br />

Beiträgen deckt das Themenheft<br />

den aktuellen Diskurs von Technik bis Organisation,<br />

von Konzeption und Planung bis<br />

Betrieb und Optimierung, von zukünftigen<br />

Architekturkonzepten bis zu aktuellen<br />

Lösungen in hinreichender Tiefe ab. Wir<br />

bitten Sie, bis zum 6. Januar 2015 zu diesem<br />

Themenschwerpunkt einen gemäß der<br />

Autorenrichtlinien der <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> ausgearbeiteten<br />

Hauptbeitrag per E-Mail an<br />

urbas@di-verlag.de einzureichen. Die <strong>atp</strong><br />

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

<strong>für</strong> Fach- und Führungskräfte der Automatisierungsbranche.<br />

In den Hauptbeiträgen<br />

werden die Themen mit hohem wissenschaftlichen<br />

und technischen Anspruch und<br />

vergleichsweise abstrakt dargestellt. Im<br />

Journalteil werden praxisnahe Erfahrungen<br />

von Anwendern mit neuen Technologien,<br />

Prozessen oder Produkten beschrieben.<br />

Alle Beiträge werden von einem Fachgremium<br />

begutachtet. Sollten Sie sich selbst aktiv<br />

an dem Begutachtungsprozess beteiligen<br />

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

Für weitere Rückfragen stehen wir Ihnen<br />

selbstverständlich gerne zur Verfügung.<br />

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

Leon Urbas, Markus Hofelich,<br />

Gerd Scholz<br />

CALL FOR<br />

Aufruf zur Beitragseinreichung<br />

Thema: Lebenszyklusmanagement<br />

von IKT und <strong>Automation</strong><br />

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

Termin: 06. Januar 2015<br />

8<br />

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

11 / 2014


Sensorik und Messtechnik: Innovationspreis<br />

<strong>für</strong> Forschungsprojekte mit Marktrelevanz<br />

Bewerbungen <strong>für</strong> den Innovationspreis des AMA Verband<br />

<strong>für</strong> Sensorik und Messtechnik können noch bis<br />

zum 19. Januar 2015 eingereicht werden. Einzelpersonen<br />

und Entwicklerteams können sich mit neuen Forschungs-<br />

und Entwicklungsprojekten mit erkennbarer<br />

Marktrelevanz bewerben. Dotiert ist der Preis mit 10 000<br />

Euro. Unternehmen, die nicht älter als fünf Jahre sind,<br />

können sich zusätzlich um den Sonderpreis ‚Junges Unternehmen‘<br />

bewerben. Den Gewinnern dieser Kategorie<br />

sponsert AMA einen kostenlosen Messestand auf der<br />

Messe Sensor+Test 2015.<br />

Der AMA-Innnovationspreis wird seit 15 Jahren <strong>für</strong><br />

außergewöhnliche Forschungs- und Entwicklungsleistungen<br />

verliehen. Ausgezeichnet werden die Entwickler<br />

und Entwicklerteams und nicht die Institutionen dahinter,<br />

alle Bewerbungen werden zudem in einer Broschüre<br />

auf der AMA Website veröffentlicht.<br />

Die Jury setzt sich zusammen aus Branchenexperten<br />

von Hochschulen, Instituten und Unternehmen. Die Juroren<br />

prüfen die Bewerbungen insbesondere auf die wis-<br />

senschaftliche Leistung und beurteilen die<br />

voraussichtlichen Marktchancen. „Wir bekommen<br />

jedes Jahr innovative Bewerbungen<br />

aus der ganzen Welt“, sagt der Vorsitzende<br />

Prof. Andreas Schütze von der Universität<br />

des Saarlandes. „Darunter sind viele zukunftsorientierte<br />

Entwicklungen von renommierten<br />

Firmen und Instituten aber auch von<br />

jungen Unternehmen. Um junge Unternehmen<br />

zu fördern und ihnen einen guten<br />

Marktstart zu ermöglichen, gibt es die derkategorie ‚Junge Unternehmen‘.“ Teilnah-<br />

Sonmebedingungen<br />

und Ausschreibungsunterlagen<br />

unter www.ama-sensorik.de/wissenschaft/ama-innovationspreis.<br />

(gz)<br />

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

Sophie-Charlotten-Str. 15, D-14059 Berlin,<br />

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

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

DER AMA-<br />

INNOVATIONSPREIS<br />

würdigt innovative<br />

Forschungs- und<br />

Entwicklungsleistungen<br />

mit<br />

markt relevanten<br />

Ansätzen. Bild: AMA<br />

ZVEI will Industrie 4.0 vorantreiben<br />

Der Vorstand des ZVEI-Fachverbands <strong>Automation</strong> hat<br />

Dr. Gunther Kegel <strong>für</strong> weitere drei Jahre als Vorstandsvorsitzenden<br />

bestätigt. Kegel ist Vorsitzender der<br />

Geschäftsleitung von Pepperl + Fuchs. „Im Zentrum<br />

meiner Amtszeit steht das Thema Industrie 4.0“, so Kegel<br />

bei der Versammlung des Fachverbands. Das Thema sei<br />

in Politik und Wissenschaft angekommen. Jetzt müsse<br />

man konkreter werden. „Den Unternehmen muss der<br />

Zugang ins Internet der Dinge ermöglicht werden“, forderte<br />

Kegel. In der engen Zusammenarbeit mit den Anwenderindustrien<br />

sieht er die Chance, Industrie 4.0 in<br />

Deutschland und Europa nachhaltig zu stärken und auszubauen.<br />

„Mit dem Führungskreis Industrie 4.0 ist der<br />

ZVEI-Fachverband gut auf die Zusammenarbeit mit den<br />

Anwenderindustrien vorbereitet“, so Kegel. „Wir werden<br />

Fallbeispiele <strong>für</strong> Industrie 4.0-Lösungen erarbeiten. Nur<br />

so kommen wir schnell und zielgerichtet voran.“ (gz)<br />

ZVEI – ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK- UND<br />

ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V.,<br />

Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main,<br />

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

Namur trauert um Bernhard Will<br />

Der langjährige Namur-Vorsitzende Dr.-Ing. Bernhard<br />

Will ist Ende September im Alter von 86 Jahren verstorben.<br />

Mit seinem Namen verbinden sich viele Aktivitäten<br />

auf dem Gebiet der Automatisierungstechnik. Von<br />

der Ausbildung her kein gelernter Mess- und Regeltechniker<br />

oder Elektrotechniker sei er als Maschinenbauer und<br />

Verfahrenstechniker wie kein anderer prädestiniert gewesen,<br />

den fachübergreifenden Aspekt in die Namur-Arbeit<br />

einzubringen, betont der Verband in einer Würdigung.<br />

1966 wurde Will in den Namur-Vorstand berufen, dem<br />

er 26 Jahre angehörte, davon 13 Jahre als Vorsitzender.<br />

Mit seinem Ausscheiden aus dem Namur-Vorstand wurde<br />

er zum Ehrenmitglied der Namur ernannt.<br />

In den Jahren seines Vorsitzes der Namur hat er sich<br />

besonders den Themen Analysenmesstechnik, Prozessrechentechnik<br />

und Planung von PLT-Einrichtungen<br />

gewidmet. Auch heute noch haben die Themen Analysentechnik<br />

und Planung eine herausragende Bedeutung<br />

in der Namur. Auf seine Initiative wurde der Ausschuss<br />

Prozesselektrotechnik gegründet.<br />

Die Kontakte zur VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und<br />

Automatisierungstechnik (GMA) waren <strong>für</strong> ihn sehr<br />

wichtig, was er als Beiratsmitglied immer wieder unter<br />

Beweis gestellt hat. Des Weiteren hat er als Namur-<br />

Vorstandsmitglied die Interkama stark unterstützt. So<br />

war er unter anderem Mitglied des Vorstandes der<br />

Interkama.<br />

(gz)<br />

NAMUR-GESCHÄFTSSTELLE,<br />

C/O BAYER TECHNOLOGY SERVICES GMBH,<br />

Gebäude K 9, D-51368 Leverkusen,<br />

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

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

11 / 2014<br />

9


BRANCHE<br />

Powerlink eröffnet neues Technologiezentrum<br />

an chinesischer Tianjin University<br />

DR. XIAO WEIRONG,<br />

Vice President der<br />

Powerlink Association<br />

China, und<br />

Universitätsrektorin<br />

Liu Xin enthüllen die<br />

Namensplakette<br />

des neuen Powerlink-Technologieförderungszentrums<br />

in Tianjin.<br />

Foto: EPSG<br />

ie Ethernet Powerlink Standardization Group (EPSG)<br />

D hat ein Technologiezentrum an der Universität im<br />

chinesischen Tianjin eröffnet. Das Zentrum stellt eine<br />

Erweiterung des Feldbus-Technologiezentrums der Tianjin<br />

University of Technology and Education dar. Es bietet<br />

Unternehmen und Forschungseinrichtungen in der Re-<br />

gion Peking Ausbildungs-, Support- und Entwicklungsdienstleistungen<br />

<strong>für</strong> Powerlink an und soll zur dauerhaften<br />

Weiterentwicklung der Technologie beitragen.<br />

„Das Open-Source-Protokoll Powerlink ist die Netzwerk-Technologie<br />

der Zukunft“, sagte Lu Shengli, Direktor<br />

des Fieldbus Control Technology Engineering Center,<br />

anlässlich der Eröffnungsfeier am Rande der Powerlink-<br />

Konferenz. „Wir haben uns entschlossen, die Entwicklung<br />

von Powerlink aktiv zu unterstützen, denn wir glauben,<br />

dass dieser Standard den richtigen Ansatz <strong>für</strong> die<br />

Zukunft darstellt.“ Die EPSG sieht darin einen „weiteren<br />

Meilenstein auf dem Weg zum führenden industriellen<br />

Kommunikationsstandard in China“. 2012 war Powerlink<br />

von der chinesischen Normungsbehörde bereits als nationaler<br />

Standard GB/T 27960-2011 zertifiziert worden. (gz)<br />

ETHERNET POWERLINK STANDARDIZATION GROUP<br />

(EPSG), POWERLINK-OFFICE,<br />

Bonsaiweg 6,<br />

D-15370 Fredersdorf,<br />

Tel. +49 (0) 33439 53 92 70,<br />

Internet: www.ethernet-Powerlink.org<br />

Profinet ist nun nationaler chinesischer Standard<br />

Als weiteren wichtigen Meilenstein <strong>für</strong> die weltweite<br />

Verbreitung von Profinet wertet die Profibus-Nutzerorganisation<br />

die Erhebung von Profinet zum nationalen<br />

chinesischen Standard. Dr. Sun Wei, Director der Standardization<br />

Administration of The Republic of China<br />

(SAC) hat das Protokoll Mitte September zum nationalen<br />

chinesischen Standard erklärt. Damit könnten chinesische<br />

Hersteller und Anwender nun auf einen zuverlässigen,<br />

stabilen und zukunftssicheren Standard setzen,<br />

heißt bei der Nutzerorganisation.<br />

Betont wird auch, dass Profinet längst in China angekommen<br />

sei und vielfach eingesetzt werde. Chinesische<br />

Gerätehersteller hätten bereits mit der Integration von<br />

Profinet in ihre Geräte begonnen, und einige auch schon<br />

in dem Profinet-Testlabor in Beijing zertifizieren lassen.<br />

Karsten Schneider, Chairman von PI (Profibus & Profinet<br />

International), hob hervor: „Allein die Tatsache, dass<br />

dieses Jahr drei neue PI-Kompetenzzentren in China<br />

entstanden sind, zeigt, wie fest unsere Technologie in<br />

Asien verwurzelt ist. PI China hat sich in den letzten<br />

Jahren zur drittgrößten Regionalen PI Association (RPA)<br />

entwickelt.“ Der Vorteil <strong>für</strong> Anwender wie Hersteller<br />

liege vor allem in der lokalen Unterstützung bei ihren<br />

Projekten. <br />

(gz)<br />

PROFIBUS-NUTZERORGANISATION,<br />

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

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

Namur-Schnittstelle <strong>für</strong> Engineering-Daten<br />

Die neu erschienene Namur-Empfehlung NE 150 beschreibt<br />

eine standardisierte Namur-Schnittstelle zum<br />

Austausch von Engineering-Daten zwischen CAE-System<br />

und PCS-Engineering-Werkzeugen. Ziel der NE 150 ist es,<br />

Anforderungen an eine praxistaugliche, herstellerunabhängige,<br />

teilautomatisierte und bidirektionale Schnittstelle<br />

zum Austausch von Engineering-Daten zwischen CAE-<br />

Systemen und PCS-Engineering-Werkzeugen zu formulieren<br />

(CAE: Computer Aided Engineering, PCS: Process<br />

Control System). Aus der Perspektive der Anwender von<br />

Automatisierungstechnik in der Prozessindustrie sollen<br />

hierdurch die Fähigkeit zur Interaktion von Engineering-<br />

Werkzeugen und die konsistente, systematische Datenhaltung<br />

vorangetrieben und vereinfacht werden. Die Charakterisierung<br />

der in der NE 150 beschriebenen Datenaustauschstruktur<br />

(Namur-Datencontainer) basiert auf der<br />

ursprünglichen Idee einer Konfigurationsliste. (gz)<br />

NAMUR-GESCHÄFTSSTELLE,<br />

C/O BAYER TECHNOLOGY SERVICES GMBH,<br />

Gebäude K 9, D-51368 Leverkusen,<br />

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

10<br />

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

11 / 2014


Wie findet die jüngste industrielle Revolution<br />

Eingang in die Praxis der Unternehmen?<br />

Industrie 4.0 gilt als entscheidender Stellhebel, um den<br />

Produktionsstandort gegen zunehmende Konkurrenz<br />

zu verteidigen. Aber wie lässt sich dies in die Praxis<br />

umsetzen? Darüber sprechen Experten aus Industrie<br />

und Wissenschaft bei der 2. VDI-Fachtagung ‚Industrie<br />

4.0‘ am 28. und 29. Januar 2015 in Düsseldorf.<br />

Tagungsleiter Prof. Michael ten Hompel von der TU<br />

Dortmund und Institutsleiter des Fraunhofer-IML eröffnet<br />

die Veranstaltung. Er bezieht sich in seinem Vortrag<br />

auf die Kernthemen, die derzeit die Entwicklungen der<br />

Industrie bewegen: Welche Wege müssen deutsche international<br />

agierende Unternehmen jetzt einschlagen? Diesen<br />

Aspekt greift anschließend Reinhard Clemens, Vorstand<br />

der Deutschen Telekom, in seinem Plenarvortrag<br />

auf. Dr. Heinz-Jürgen Prokop von Trumpf stellt die Frage,<br />

wie sich Familienunternehmen mit und durch Industrie<br />

4.0 als Innovationsführer im stark konkurrierenden<br />

Weltmarkt des Maschinenbaus behaupten können und<br />

liefert eine mögliche Antwort <strong>für</strong> die Welt von Morgen.<br />

Haben tatsächlich die Technologien Marktpotenzial,<br />

die mit Industrie 4.0 Realität werden sollen? Welche Bedeutung<br />

hat das Internet der Dinge <strong>für</strong> Industrie 4.0? Zu<br />

diesen und weiteren Fragen präsentiert Bernd Leukert,<br />

Vorstandsmitglied Produkte & Innovation von SAP, eine<br />

Cloud-Infrastruktur und Plattform <strong>für</strong> die Industrie 4.0<br />

und beschreibt die Herausforderungen bei der Umsetzung<br />

konkreter Projekte.<br />

Bei einer Podiumsdiskussion gehen Experten der Frage<br />

nach, wie sich Deutschland im globalen Wettbewerb<br />

behaupten kann. An der Diskussion nehmen Dr. Stefan<br />

Baginski von BMW, Prof. Thomas Deelmann von T-Sys-<br />

HERAUSFORDERUNG<br />

INDUSTRIE 4.0: Zum zweiten<br />

Mal widmet sich eine<br />

VDI-Tagung den wichtigsten<br />

Entwicklungen und<br />

Trends in diesem Bereich.<br />

Bild: VDI Wissensforum<br />

tems International, Dr. John Herold von Belden Electronics<br />

und Prof. Dieter Wegener von Siemens teil.<br />

Der zweite Veranstaltungstag befasst sich mit den Möglichkeiten<br />

der Forschung sowie Geschäftsmodellen, die<br />

einen wirtschaftlichen Erfolg versprechen. Unter dieser<br />

Thematik führt Prof. Henning Kagermann in die Forschungslandschaft<br />

Deutschlands ein. Darauf aufbauend<br />

zeigt Prof. Frank Piller von der RWTH Aachen Wege auf,<br />

mit deren Hilfe sich Geschäftsmodelle generieren lassen.<br />

Am Tag vor und nach der Veranstaltung finden ergänzende<br />

Spezialtage statt. Hier lernen die Teilnehmer zum<br />

einen die Trends, Anforderungen und Möglichkeiten<br />

der Industrie 4.0 kennen und zum anderen erfahren sie<br />

mehr über Rechtsfragen der IT-Sicherheit in Produktionsumgebungen.<br />

(gz)<br />

VDI WISSENSFORUM GMBH,<br />

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

Tel. +49 (0) 211 621 42 01,<br />

Internet: www.vdi-wissensforum.de<br />

Prozessautomation soll 2014 um sechs bis sieben<br />

Prozent zulegen – Abschwächung erwartet<br />

Die elektrische Prozessautomation befindet sich nach<br />

Einschätzung des Branchenverbands ZVEI weiterhin<br />

auf Wachstumskurs. „Wir rechnen <strong>für</strong> dieses Jahr mit<br />

einem erfreulichen Wachstum von sechs bis sieben Prozent<br />

bei den weltweiten Auftragseingängen“, sagt Hans-<br />

Georg Kumpfmüller, ZVEI-Fachbereichsvorsitzender<br />

Messtechnik & Prozessautomatisierung und CEO der<br />

Business Unit Sensors und Communication bei Siemens.<br />

Für 2015 erwarten die Mitgliedsunternehmen des Fachbereichs<br />

das sechste Wachstumsjahr in Folge mit einem<br />

Plus der globalen Auftragseingänge von zirka fünf Prozent.<br />

Im Jahr 2013 hat die Branche in Deutschland einen<br />

Umsatz von 19 Milliarden Euro erwirtschaftet.<br />

Kumpfmüller: „Zurzeit schlagen sich Instrumentierung<br />

und Analytik besser als das Systemgeschäft.“ Das<br />

weltweite Wachstum in der Prozessautomation komme<br />

vor allem von den Branchen Öl und Gas, Nahrungs- und<br />

Genussmittel sowie aus dem Pharmasektor. Chemieindustrie,<br />

Wasser/Abwasser und der Anlagenbau lägen im<br />

mittleren Wachstumsbereich. Weniger gut liefen die<br />

Geschäfte mit der Papier- und Zellstoffindustrie, der<br />

Zementindustrie sowie der Hüttenindustrie.<br />

Insbesondere zweistellig gewachsene Umsätze in Nordamerika<br />

trieben die Entwicklung. Als weitere Regionen<br />

mit Wachstum im hohen einstelligen Bereich nennt der<br />

ZVEI China und Indien. Deutschland könne ein Wachstum<br />

im mittleren, Gesamteuropa im geringen einstelligen<br />

Bereich aufweisen. Afrika werde zu einer wichtigen Region<br />

<strong>für</strong> die Prozessautomation – insbesondere die öl- und<br />

rohstoffreichen Länder in West- und Zentralafrika sowie<br />

dem südlichen Afrika. Eine problematische Region sei<br />

Südamerika. „Das Russlandgeschäft läuft trotz Krise zurzeit<br />

noch recht gut mit Wachstumsraten im hohen einstelligen<br />

Bereich. Allerdings bereitet hier der Ausblick<br />

vielen Unternehmern Sorgen“, so Kumpfmüller. (gz)<br />

ZVEI – ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK- UND<br />

ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V.,<br />

Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main,<br />

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

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

11 / 2014<br />

11


BRANCHE<br />

Integration statt Konkurrenz: Fieldbus und HART<br />

schließen sich zur FieldComm Group zusammen<br />

Gunther Kegel und Hans-Georg Kumpfmüller erläutern die Vorteile der Fusion<br />

NUTZNIESSER PROZESSINDUSTRIE: Das größte<br />

Potenzial der Fusion von Fieldbus und HART Foundation<br />

liegt voraussichtlich in der zukünftigen Software-<br />

Integration der Protokolle in die Prozess-Leitsysteme<br />

und Prozess-Asset-Management-Systeme.<br />

© Nutsch/PIXELIO<br />

FIELDBUS FOUNDATION UND HART<br />

FOUNDATION fusionieren zur Field-<br />

Comm Group. Die neue Organisation<br />

will mit deutlich erhöhter Schlagkraft<br />

den neuen FDI-Standard in der<br />

Industrie vorantreiben.<br />

Vor fast genau zwei Jahren, am Rande der Namur-<br />

Hauptsitzung 2012 in Bad Neuenahr, fand auf Initiative<br />

von Hans-Georg Kumpfmüller (Siemens) das erste<br />

Treffen zwischen dem Chairman der ‚HART Communication<br />

Foundation‘, Mark Schumacher (Emerson) und<br />

dem Chairman der ‚Fieldbus Foundation‘, Gunther Kegel<br />

(Pepperl+Fuchs) statt. Für die drei Teilnehmer am<br />

Treffen war schnell klar: Die Herausforderungen, vor<br />

denen die HART Foundation und die Fieldbus Foundation<br />

stehen, sind identisch und müssen mit den gleichen<br />

Ressourcen gestemmt werden. Es liegt nahe, beide<br />

Nutzerorganisationen zu verschmelzen. Für viele war<br />

die Ankündigung dennoch eine Überraschung: Fieldbus<br />

Foundation und HART Foundation fusionieren zur<br />

neuen FieldComm Group!<br />

Warum vereinigen sich zwei Nutzer-Organisationen,<br />

die in der öffentlichen Wahrnehmung bisher teilweise<br />

konkurrierende Philosophien verfolgt haben? HART<br />

Foundation steht <strong>für</strong> die HART-Kommunikation, ein<br />

digitales Signal, das dem analogen 4…20 mA-Signal der<br />

Feldgeräte überlagert wird und heute weltweiter Standard<br />

<strong>für</strong> Parametrierung und Inbetriebnahme von Feldgeräten<br />

in der Prozessautomation ist. Obwohl sich das<br />

HART-Protokoll auch zur Diagnose und permanenten<br />

Überwachung der Feldgeräte eignet, sind Installationen,<br />

die diese Funktionen vollumfänglich nutzen,<br />

eher die Ausnahme.<br />

Fieldbus Foundation steht <strong>für</strong> eine vollständig digitale<br />

Kommunikation vom Feldgerät zum Prozess-Leitsystem<br />

mit dem Foundation Fieldbus (FF) Protokoll.<br />

Inbetriebnahme, Parametrierung, Diagnose, ‚Control-inthe-field‘<br />

sind fester Bestandteil von FF-Installationen<br />

überall auf der Welt. Die Anwendung rein digitaler<br />

Kommunikation wird allerdings durch den Bruch mit<br />

der installierten analogen Technologie erschwert. Die<br />

Akzeptanz <strong>für</strong> FF ist deshalb in allen Regionen besonders<br />

ausgeprägt, in denen viele neue Anlagen und Installationen<br />

(‚Greenfield‘) überwiegen. In Regionen, in<br />

denen Anlagen vor allem erweitert oder umgebaut werden<br />

(‚Brownfield‘), bevorzugen Anwender häufig noch<br />

immer die analoge Übertragung der Prozessmesswerte.<br />

GROSSE ÜBERSCHNEIDUNG BEI MITGLIEDSFIRMEN<br />

Beide Technologien haben aber auch eine ganze Reihe<br />

von Gemeinsamkeiten und stehen vor den gleichen Herausforderungen.<br />

Vergleicht man etwa die Mitgliederliste<br />

beider Organisationen, bemerkt man eine signifikante<br />

Überlappung. Viele Firmen sind Mitglied beider<br />

Organisationen. Mitgliedsbeiträge und mehr noch ehrenamtliche<br />

Arbeit in den Nutzerorganisationen lassen<br />

sich im Sinne der Mitglieder effizienter gestalten, wenn<br />

man beide Organisationen zusammenfasst.<br />

Beide Technologien sind heute reife, etablierte technische<br />

Standards, die jeweils eine große installierte<br />

12<br />

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

11 / 2014


Basis überall auf der Welt repräsentieren und über viele<br />

Jahre, wenn nicht Jahrzehnte technisch gepflegt und<br />

weiterentwickelt werden müssen. Diese Pflege umfasst<br />

vor allem Prozesse und Infrastrukturen <strong>für</strong> ein professionelles<br />

Versionsmanagement, die <strong>für</strong> beide Technologien<br />

genutzt werden können.<br />

VEREINTE STRUKTUREN ERHÖHEN SCHLAGKARFT<br />

Beide Organisationen unterhalten bisher jeweils unterschiedliche<br />

Strukturen zur Prüfung und Zertifizierung<br />

neuer Produkte bezüglich Interoperabilität und Einhaltung<br />

der jeweiligen Standards und Versionen. Die neue<br />

FieldComm Group hat jetzt die Möglichkeit, diese<br />

Strukturen zusammenzufassen und mit den deutlich<br />

größeren Ressourcen den Zertifizierungs-Service <strong>für</strong><br />

die Mitglieder deutlich zu verbessern.<br />

Das größte Potenzial der Fusion allerdings liegt voraussichtlich<br />

in der zukünftigen Software-Integration der<br />

Protokolle in die Prozess-Leitsysteme und Prozess-Asset-<br />

Management-Systeme. Anwender bemängeln seit langem<br />

die Schwierigkeiten mit den unterschiedlichen, sich ergänzenden<br />

Integrationsstandards EDDL und FDT und der<br />

mangelnden Versionsfestigkeit dieser Technologien.<br />

Der Wunsch der Anwender bezüglich der Geräteintegration<br />

lässt sich anhand eines fiktiven ‚Use-Case‘ sehr<br />

gut illustrieren: In einer Prozessanlage in einer schwer<br />

zugänglichen Region fällt Samstagnacht ein Feldgerät<br />

aus und vor Ort steht kein geschultes Mess- und Regelungstechnik-Personal<br />

zur Verfügung. Der Betriebselektriker<br />

muss trotzdem in der Lage sein, durch einfaches<br />

Austauschen des fehlerhaften Gerätes die Anlage wieder<br />

in Betrieb gehen zu lassen. Beide Technologien unterstützen<br />

diesen ‚Use-Case‘ unvollständig und mit unterschiedlichen<br />

Technologien. Der Austausch eines<br />

HART-Gerätes erfordert genau wie der Austausch eines<br />

FF-Gerätes eine vorherige Parametrierung und die Sicherstellung,<br />

dass die Versionen von Host, Feldgerät und<br />

Parametriergerät übereinstimmen. Entsprechende ‚Device<br />

Descriptions‘ (DD) oder ‚Device Type Manager‘<br />

(DTM) müssen – gegebenenfalls unter Beachtung der<br />

Versionskompatibilität – vom Netz geladen werden und<br />

im Host-System eingebunden werden.<br />

FDI-KOMPONENTEN AB ANFANG 2015 VERFÜGBAR<br />

Um diese Integration <strong>für</strong> die unterschiedlichen Technologien<br />

zusammenfassen und deutlich zu verbessern,<br />

haben sich die großen Hersteller prozessleittechnischer<br />

Geräte und Systeme zusammengetan und gemeinsam<br />

den Standard ‚Field Device Integration‘ (FDI) entwickelt.<br />

In der eigens da<strong>für</strong> geschaffenen Organisation<br />

‚FDI LLC‘ wurde in Zusammenarbeit mit der ‚HART<br />

Communication Foundation‘, der ‚Fieldbus Foundation‘,<br />

‚Profibus International‘, der ‚OPC-Foundation‘ und der<br />

‚FDT-Group‘ die FDI-Spezifikation entwickelt. Darauf<br />

aufbauend erfolgten die Harmonisierung der unterschiedlichen<br />

EDDL-Versionen und die Entwicklung<br />

gemeinsamer Software-Komponenten <strong>für</strong> Host und<br />

Feldgeräte und der zugehörigen Testwerkzeuge.<br />

Die Anwendung dieser FDI-Komponenten im Host<br />

sowie der FDI Packages <strong>für</strong> die Feldgeräte stellt eine<br />

herstellerunabhängige Interoperabilität sicher. Anfang<br />

2015 werden diese Komponenten über die FieldComm<br />

Group <strong>für</strong> die Hersteller verfügbar sein. Mitte des nächsten<br />

Jahres sollen die Arbeiten an der Weiterentwicklung<br />

und Pflege des FDI-Standards dann in die Field-<br />

Comm Group übergehen. Da sowohl FF als auch HART<br />

diese neue Integrationstechnologie nutzen, ist dieser<br />

Übergang im Sinne von Herstellern und Anwendern.<br />

EINHEITLICHE AUSSAGEN ZUR GERÄTEINGETRATION<br />

Erfreulich ist auch, dass sich die Profibus-Nutzerorganisation<br />

(PNO) und die FieldComm Group (FCG) bereits<br />

darauf verständigt haben, auch nach der Auflösung der<br />

FDI Cooperation LLC gemeinsam die FDI-Technologie<br />

zu pflegen und weiterzuentwickeln. Da<strong>für</strong> werden<br />

‚Joined Working Groups‘ <strong>für</strong> die FDI-, EDDL- und Test-<br />

Spezifikationen etabliert. Ferner wurde vereinbart, dass<br />

der Vertrieb und die Weiterentwicklung der ‚Tools and<br />

Components‘ zentral über die FCG erfolgen wird.<br />

Die neue zusammengefasste Organisation hat also<br />

eine deutlich erhöhte Schlagkraft, um den neuen FDI-<br />

Standard in der Industrie zu verbreiten. Schulungen,<br />

Seminare, Vorträge, Anwendertreffen und Entwickler-<br />

Unterstützung lassen sich in einer größeren Organisation<br />

in größerem Umfang realisieren und die Zusammenfassung<br />

vermeidet von Anfang an unterschiedliche<br />

Botschaften zum gleichen Thema. Anstelle von vier<br />

Organisationen – FF, FDI, PI und HART – kommuniziert<br />

in Zukunft nur die FieldComm Group intern abgestimmte<br />

Botschaften zum Thema Geräteintegration.<br />

BRÜCKENTECHNOLOGIE FÜR INDUSTRIE 4.0<br />

Neben dem Zukunftsthema FDI stehen Anwender und<br />

Hersteller auch im engen Dialog über Definition und<br />

Entwicklung der nächsten Generation physikalischer<br />

Übertragungsmedien, die die Protokolle nutzen können.<br />

Dabei stehen aktuell vor allem die drahtlosen Technologien<br />

im Vordergrund. Für die Hersteller von Geräten<br />

und Systemen der Prozessautomation sind die heutigen<br />

digitalen Übertragungstechniken aber auch <strong>für</strong> die Zukunftsthemen<br />

rund um ‚Industrie 4.0‘ sehr wichtig.<br />

Die Anlagenlebenszyklen in der Prozessautomation<br />

betragen 20, teilweise 30 Jahre. Für die Anwender ist<br />

es wichtig, dass die installierten Feldgeräte entlang<br />

dieses langen Lebenszyklus verfügbar bleiben. Kein<br />

Anwender möchte in dieser Zeit auf eine neue Übertragungs-Technologie<br />

umstellen, die mit den installierten<br />

Feldgeräten nicht kompatibel ist. Für ‚Industrie 4.0‘<br />

hieße das in letzter Konsequenz, dass die Prozessindustrien<br />

erst in 20 Jahren von den Vorteilen der Digitalisierung<br />

der Industrie profitieren könnten. Deshalb<br />

werden die heutigen digitalen Übertragungsprotokolle<br />

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

11 / 2014<br />

13


BRANCHE<br />

Wenn diese neuen Technologien Akzeptanz finden<br />

sollen, müssen die Ideen und Konzepte aus den unterschiedlichen<br />

Herstellerlabors in eine gemeinsame Nutzerorganisation<br />

überführt werden. Proprietäre Konzepte<br />

und Systeme stehen im krassen Gegensatz zum<br />

Zukunftsprojekt ‚Industrie 4.0‘. So bietet sich die Field-<br />

Comm Group auch als gemeinsame Plattform <strong>für</strong> die<br />

Definition und Entwicklung neuer physikalischer Medien<br />

<strong>für</strong> die Feldgeräteintegration an.<br />

PROZESSLEITSYSTEM: Für die Kommunikation mit den<br />

Feldgeräten nutzen Fieldbus und HART unterschiedliche<br />

Ansätze. Doch beide Technologien besitzen auch eine Reihe<br />

von Gemeinsamkeiten und stehen vor den gleichen<br />

Herausforderungen. Bild: Siemens<br />

in der Prozessindustrie über lange Zeit eine Brückentechnologie<br />

innerhalb ‚Industrie 4.0‘ darstellen.<br />

Irgendwann wird die zunehmende Menge digitaler<br />

Daten und Informationen die Bandbreite der heute etablierten<br />

digitalen physikalischen Medien überfordern:<br />

Hersteller untersuchen zurzeit in unterschiedlichen Arbeitsgruppen<br />

Möglichkeiten, die heute existierenden<br />

Protokolle auf neue, schnellere physikalische Medien zu<br />

übertragen. Im Idealfall können diese neuen Medien<br />

gleichzeitig die neuen und die existierenden Übertragungsraten<br />

verarbeiten und so ein Migrationspfad <strong>für</strong> die<br />

Feldgeräte-Kommunikation <strong>für</strong> ‚Industrie 4.0‘ entstehen.<br />

TED MASTERS WIRD FIELDCOMM-GESCHÄFTSFÜHRER<br />

Für die Anwender hat die Fusion von Fieldbus Foundation<br />

und HART Foundation ebenfalls essentielle<br />

Vorteile. Nahezu alle Anwender verwenden heute in<br />

ihren weltweiten Anlagen sowohl das HART-Protokoll<br />

als auch Foundation Fieldbus. In vielen Anlagen<br />

werden die Technologien sogar parallel genutzt. Eine<br />

uneinheitliche Geräteintegration ist <strong>für</strong> viele Anwender<br />

eine Herausforderung. Die neue FieldComm<br />

Group hat deshalb die Struktur des ‚End User Advisory<br />

Council‘ aus der Fieldbus Foundation übernommen.<br />

Hier werden in Zukunft die Anforderungen der<br />

Anwender bezüglich HART, FF und FDI aufgenommen<br />

und bewertet. Aus diesen Anforderungen wird<br />

die FieldComm Group die zukünftigen Entwicklungsprojekte<br />

der Weiterentwicklung der Standards<br />

in ‚Future Roadmaps‘ definieren und so <strong>für</strong> die Hersteller<br />

die Grundlage <strong>für</strong> Innovationen ihrer Geräte<br />

und Systeme schaffen.<br />

Die FieldComm Group wird – wie schon die Fieldbus<br />

Foundation und die HART Foundation zuvor – ihren<br />

Sitz in Austin/Texas haben. Mit Ted Masters, wurde<br />

ein Geschäftsführer mit langjähriger Erfahrung in der<br />

Prozessautomation gewonnen und als erster Chairman<br />

der FieldComm Group wurde Hans-Georg Kumpfmüller<br />

vom neu konstituierten Board gewählt. So sind die<br />

Voraussetzungen geschaffen, die erfolgreiche Weiterentwicklung<br />

des HART-Standards und des Fieldbus<br />

Foundation-Standards in der Zukunft zu sichern.<br />

AUTOREN<br />

Dr.-Ing. GUNTHER KEGEL<br />

ist Vorsitzender der<br />

Geschäftsleitung der<br />

Pepperl+Fuchs GmbH und<br />

Chairman der Fieldbus<br />

Foundation.<br />

HANS-GEORG KUMPF-<br />

MÜLLER ist CTO Process<br />

Industries and Drives<br />

Division bei Siemens und<br />

wird 2015 Vorsitzender des<br />

Verwaltungsrats der neuen<br />

FieldComm Group.<br />

Pepperl+Fuchs GmbH,<br />

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

Tel. +49 (0) 621 776 12 16,<br />

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

Siemens AG,<br />

Östliche Rheinbrückenstr. 50, D-76187 Karlsruhe,<br />

Tel. +49 (0) 721 595 44 01,<br />

E-Mail: hansgeorg.kumpfmueller@siemens.com<br />

14<br />

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

11 / 2014


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mit interaktivem eBook (Online-Lesezugriff im MediaCenter)<br />

5. Auflage – ISBN: 978-3-8356-7119-5<br />

<strong>für</strong> € 259,90 (zzgl. Versand)<br />

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Widerrufsrecht: Sie können Ihre Vertragserklärung innerhalb von zwei Wochen ohne Angabe von Gründen in Textform (z.B.<br />

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

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

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PAHBPA2014<br />

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

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

Diese Erklärung kann ich mit Wirkung <strong>für</strong> die Zukunft jederzeit widerrufen.


PRAXIS<br />

FDI Device Package läutet neue Ära <strong>für</strong> die<br />

Feldbustechnik ein: ein Gerät, ein Paket, alle Tools<br />

Einsatzspektrum vom PC bis zu kompletten Prozessführungs- und Automatisierungssystemen<br />

DIE GEMEINSAMEN HOST-<br />

KOMPONENTEN stellen die größte<br />

Stärke von FDI dar. Sie bestehen aus<br />

der EDD-Engine und der UI-Engine<br />

und werden den Host-System-<br />

Herstellern zur Implementierung<br />

ihrer Tools zur Verfügung stehen.<br />

DAS FDI DEVICE PACKAGE: ein Gerät, ein Paket,<br />

alle Tools. Es gibt genau ein Device Package <strong>für</strong><br />

jedes Gerät und dieses wird von allen Tools oder<br />

Systemen verwendet. Bilder: FDI<br />

D<br />

ie FDI-Spezifikation und -Komponenten werden in<br />

wenigen Monaten verfügbar sein. Was bedeutet das<br />

<strong>für</strong> die Feldgerätenutzer und -anbieter in ihrem Alltag?<br />

Für sie werden mit dem FDI-Standard (Field Device<br />

Integration) zur Feldgeräteintegration interessante<br />

Zeiten beginnen. Eines der wesentlichen Ziele der<br />

Spezifikation ist, die Einfachheit der Gerätebeschreibungssprache<br />

(EDDL) zu nutzen und gleichzeitig die<br />

Flexibilität beim Einsatz von Grafik <strong>für</strong> spezielle Gerätemerkmale<br />

und zur komplexen grafischen Darstellung<br />

zu bieten.<br />

Aktuell existieren über 30 Kommunikationsprotokolle<br />

(offene und proprietäre), die sich unter dem Begriff<br />

Automatisierungsprotokolle <strong>für</strong> die Industrie-/Prozessautomation<br />

zusammenfassen lassen. Für über 90 % der<br />

Feldinstrumentierung in der Prozessautomation werden<br />

aber allein HART, Profibus oder Foundation Fieldbus,<br />

nachfolgend ‚Feldbus‘ genannt verwendet. Ohne näher<br />

auf die Vor- und Nachteile der einzelnen Kommunikationsprotokolle<br />

einzugehen, steht außer Zweifel, dass<br />

diese drei Protokolle bei der Verbesserung und Optimierung<br />

des Anlagenbetriebs eine wichtige Rolle spielen<br />

und ein großes Potenzial aufweisen.<br />

VIELE TOOLS UND TREIBER ERFORDERLICH<br />

Heute verfügt jeder große Anbieter von Automatisierungstechnik<br />

über ein Produktangebot, das von der<br />

Instrumentierung bis zu kompletten Leitsystemen<br />

reicht. Die meisten bieten auch ihre eigenen Gerätemanagementtools<br />

an. Trotz der weitgehenden Standardisierung<br />

funktionieren die <strong>für</strong> ein System gelieferten<br />

Gerätetreiber (DTMs, EDD und weitere) in anderen<br />

Systemen nicht auf die gleiche Weise und haben auch<br />

ein anderes Aussehen. Deshalb muss der Nutzer unterschiedliche<br />

Treiber <strong>für</strong> verschiedene Tools verwenden,<br />

auch wenn das eigentliche Gerät dasselbe ist.<br />

Diese Situation stellt auch <strong>für</strong> die Anbieter von Instrumentierungstechnik<br />

ein Problem dar, denn sie müssen<br />

ihre Gerätetreiber anhand diverser Gerätemanagementtools<br />

testen.<br />

Hier kommt das FDI Device Package ins Spiel: Ein<br />

Gerät, ein Paket, alle Tools. Es gibt genau ein Device<br />

Package <strong>für</strong> jedes Gerät und dieses wird von allen Tools<br />

oder Systemen verwendet. Das Einsatzspektrum reicht<br />

von einzelnen PCs bis zu kompletten Prozessführungsund<br />

Automatisierungssystemen. Egal welches Gerätemanagementtool<br />

von welchem Hersteller verwendet<br />

wird, das FDI Device Package stellt sicher, dass es problemlos<br />

funktioniert. Der Inhalt eines FDI-Gerätepakets<br />

ist im Bild links oben dargestellt.<br />

Standardisierung hilft, aber die Benutzerschnittstelle<br />

ist suboptimal! Die Nutzer von Gerätemanagementtools<br />

beklagen dies seit Jahren. Wird die Benutzerschnittstelle<br />

wirklich optimiert? Ist die grafische Darstellung<br />

zu groß oder zu klein, wenn derselbe Treiber<br />

in verschiedenen Tools verwendet wird? Wird der Text<br />

in einem Tool linksbündig und in einem andern rechtsbündig<br />

angezeigt?<br />

16<br />

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

11 / 2014


JEDER HOST INTERPRETIERT DIE TREIBER ANDERS<br />

Jeder Host interpretiert einen Gerätetreiber etwas<br />

anders, damit er zu seiner Bedienoberfläche passt.<br />

Geräteanbieter passen ihren Treiber jedoch zumeist<br />

an ein bevorzugtes Tool an. Obwohl es Anpassungen<br />

des Gerätetreibers an andere Tools gibt, passt er<br />

dann doch nicht so perfekt, als wenn er <strong>für</strong> dieses<br />

Tool erstellt worden wäre. Diese Probleme lassen<br />

sich nicht einfach mit Hilfe von Spezifikationen<br />

und Empfehlungen lösen. Hier liegt die größte Stärke<br />

der FDI: gemeinsame Host-Komponenten.<br />

Die gemeinsamen Host-Komponenten bestehen<br />

aus der EDD-Engine und der UI-Engine. Alle FDI-<br />

Gerätepakete müssen in Bezug auf den aus den gemeinsamen<br />

Host-Komponenten bestehenden FDI-<br />

Referenzhost geprüft und zugelassen werden. Diese<br />

gemeinsamen Host-Komponenten werden den Host-<br />

System-Herstellern zur Implementierung ihrer Tools<br />

zur Verfügung stehen. Die Verwendung der gemeinsamen<br />

Host-Komponenten stellt Folgendes sicher:<br />

EINHEITLICHE DARSTELLUNG MIT ALLEN TOOLS<br />

Die Darstellung des FDI Device Packages wird<br />

bei den verschiedenen Tools gleich sein.<br />

Da die Gerätepaketentwickler bei der Entwicklung<br />

den FDI Referenzhost verwenden, wird die<br />

Darstellung der Grafiken, Bilder und so weiter<br />

im Device Package deutlich verbessert und entspricht<br />

den Vorstellungen des Geräteherstellers.<br />

Außerdem brauchen die Gerätehersteller und<br />

die Host-System-Anbieter ihre Gerätetreiber<br />

nicht mehr in verschiedenen Tools zu prüfen.<br />

Irritiert wurden Endnutzer bislang auch durch das<br />

uneinheitliche Verhalten von Gerätetreibern verschiedener<br />

Hersteller. Der wesentliche Grund da<strong>für</strong><br />

ist die Tatsache, dass jeder Host einen Gerätetreiber<br />

in sein eigenes Bedienschnittstellenparadigma einpasst<br />

und dass jeder Gerätehersteller seine eigene<br />

Auffassung davon hat, welche Parameter <strong>für</strong> den<br />

Nutzer wichtig sind oder zu einer bestimmten<br />

Funktionalität wie Diagnose oder Betrieb gehören.<br />

Dies führt zu Inkonsistenzen:<br />

in Menüstruktur/-bezeichnungen, unterschiedliche<br />

Bezeichnungen, Menübezeichnungen/<br />

Kennzeichnungen,<br />

bei der Übersetzung der Bezeichnungen in andere<br />

Sprachen,<br />

beim Zugriff auf Variablen <strong>für</strong> die benannten<br />

Nutzer.<br />

Diese Unstimmigkeiten werden weitgehend durch<br />

FDI Usability Style Guide behoben. Er dokumentiert<br />

ausführlich verschiedene Aspekte der Bedienschnittstellengestaltung<br />

<strong>für</strong> FDI Device Packages:<br />

Halle 7, Stand 406


PRAXIS<br />

DIE NUTZER MÜSSEN bislang unterschiedliche<br />

Tools <strong>für</strong> unterschiedliche Geräte verwenden.<br />

Mit diesem Umstand räumt FDI auf. Bilder: ABB<br />

EIN FUNKTIONIERENDES FDI-Exponat zeigte ABB bei<br />

der Aachema. Dabei wurden Geräte mehrerer Hersteller<br />

in ein 800xA-System mittels FDI integriert.<br />

Quellcodebeispiele oder Skizzen der grafischen<br />

Darstellung der Bedienelemente oder der Frames.<br />

Standardisierte Bezeichnungen: beispielsweise <strong>für</strong><br />

Hauptmenüs wie Geräteeinstellungen, Diagnose,<br />

Bedienung und Maßnahmenbezeichnungen wie<br />

‚Annehmen‘, ‚Abbrechen‘, ‚Weiter‘ und so weiter.<br />

Übersetzungen in die wichtigsten Sprachen <strong>für</strong> diese<br />

Bezeichnungen werden ebenfalls dokumentiert.<br />

Außerdem spezifiziert der FDI Usability Style Guide<br />

‚Benutzersichten‘:<br />

Wartung (Maintenance): Umfasst sämtliche Kernfunktionen<br />

und Variablen/Parameter <strong>für</strong> die Inbetriebnahme<br />

und den Austausch eines Geräts.<br />

Spezialist (Specialist): Ermöglicht den unbeschränkten<br />

Zugriff auf alle Gerätefunktionen und<br />

Variablen einschließlich der Kernfunktionen.<br />

HARMONISIERTE EDDL DIENT ALS BASIS<br />

Darüber hinaus basieren die FDI Device Packages auf<br />

der harmonisierten EDDL. So wird sichergestellt, dass<br />

alle neuen EDDs die aktualisierte und optimierte IEC<br />

61804-Norm verwenden und auf die drei Protokolle anwendbar<br />

sind: HART, Profibus und Foundation Fieldbus.<br />

Die Benutzersichten und die Harmonisierung der<br />

EDDL waren im Übrigen die Hauptforderungen der Interessengemeinschaft<br />

Automatisierungstechnik der<br />

Prozessindustrie (Namur).<br />

In der ersten Nutzungsphase einer Anlage sind die<br />

Nutzer mit den in den Gerätemanagementtools vorhandenen<br />

Informationen in der Regel zufrieden. Früher<br />

oder später wird es notwendig sein, die im Gerät abgelegten<br />

Informationen in Tools/Systemen außerhalb des<br />

Gerätemanagementtools verfügbar zu machen. Gründe<br />

hier<strong>für</strong> können die Analyse des Gerätezustands, Störungen,<br />

Kalibrierdaten oder einfach der Zugriff von<br />

einem anderen Spezialtool auf ein Gerät einer bestimmten<br />

Marke sein.<br />

Die meisten Gerätemanagementtools ermöglichen<br />

keinen transparenten und einfachen Zugriff auf diese<br />

wertvollen Informationen, die sie von den Feldgeräten<br />

erhalten. Selbst wenn das Gerätemanagementtool den<br />

Zugriff auf die geräteinternen Informationen erlaubt,<br />

sind noch eine ganze Reihe von Schritten oder zusätzliche<br />

Hardware/Software nötig.<br />

Technologien wie OPC-UA spielen beim ‚einfachen‘<br />

Zugänglichmachen von Informationen <strong>für</strong> die Tools<br />

von Fremdanbietern eine sehr effektive Rolle. Die Verwendung<br />

der Standardschnittstelle OPC-UA in den FDI<br />

Hosts ermöglicht einen bequemen Zugang von anderen<br />

Applikationen aus:<br />

Applikationen können ohne Unterstützung durch<br />

den Lieferanten des FDI Hosts erstellt und entwickelt<br />

werden.<br />

Vom FDI Server unterstützte OPC-UA-Services ermöglichen<br />

einen sicheren Zugang zum Gerät oder<br />

zu offline gespeicherten Daten.<br />

Generische OPC-UA Clients können Wartungstools<br />

oder MES- beziehungsweise ERP-Systeme sein.<br />

ERFÜLLT FDI ALLE WÜNSCHE DER NUTZER?<br />

Nach all den erwähnten Vorteilen erscheint es fast so,<br />

als ob FDI jedes nur erdenkliche Anliegen aller Nutzer<br />

der Feldbusgerätemanagementtools erfüllen würde. Das<br />

stimmt nicht so ganz! Tatsächlich werden demnächst<br />

FDIGerätemanangement-Tools auf den Markt kommen,<br />

18<br />

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

11 / 2014


die den FDI-Standard auf ihre Weise umsetzen. Darauf<br />

sollten Anwender achten:<br />

Manchmal ist es der erste Schritt, der am meisten Zeit<br />

kostet: Viele Tools sind sehr umfangreich, so dass das<br />

Download und die Installation zeitaufwendig sind. Daneben<br />

erfordern viele Tools spezielle Voraussetzungen,<br />

wie die Installation der .NET-Technologie und/oder<br />

Datenbankanwendungen wie etwa SQL. Dadurch verlängert<br />

sich die Installationsdauer. Die Installationsprobleme<br />

sind damit noch nicht zu Ende. Die Gerätetreiber<br />

müssen installiert beziehungsweise importiert<br />

werden. Möglicherweise liegen die Gerätetreiber auch<br />

nicht in der neuesten Version vor.<br />

Die Installation und Konfiguration des Modemtreibers<br />

ist ein weiterer Schritt. Die Vorgehensweise ist von<br />

Anbieter zu Anbieter unterschiedlich. Anschließend<br />

erfordern die meisten Tools eine manuelle Aktualisierung<br />

des Katalogs. Oftmals müssen noch Lizenzen freigeschaltet/aktiviert<br />

werden.<br />

In den meisten Fällen möchte der Nutzer lediglich<br />

einige Standardparameter (etwa Bezeichnung, Bereich,<br />

Einheit) konfigurieren oder dieselben Parameter oder<br />

Funktionen (beispielsweise Nullstellung) immer und<br />

immer wieder ausführen. Die meisten Tools unterstüt-<br />

SPS_MESSE_ANZ_2014_D_185x128 30.07.14 13:19 Seite 1<br />

zen solche Aufgaben nicht. Selbst wenn, dann ist dies<br />

nur umständlich möglich. Das frustriert die Nutzer.<br />

Obwohl es also bei FDI darum geht, bei den Feldbussen<br />

eine neue Ära einzuleiten, sollte der Blick fest darauf<br />

gerichtet sein, wie die Anbieter von Gerätemanagementtools<br />

den Standard umsetzen. Achten Sie deshalb<br />

auf neue FDI-Produkte!<br />

AUTOR<br />

NEIL SHAH ist Produkt manager<br />

Feldbus bei ABB <strong>Automation</strong>.<br />

ABB <strong>Automation</strong> GmbH,<br />

Kallstadter Straße 1,<br />

D-68309 Mannheim,<br />

Tel. +49 (0) 621 381 17 91,<br />

E-Mail: neil.shah@de.abb.com<br />

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11 / 2014<br />

19


PRAXIS<br />

Durch <strong>modulare</strong> Automatisierung gewinnen die<br />

Anlagenbetreiber neue Flexibilität und Effizienz<br />

Hochschulen und Wago entwickelten das Konzept ‚Dima‘ <strong>für</strong> den Einsatz in der Prozessindustrie<br />

DIMA setzt die vielfältigen Anforderungen der<br />

NE 148 in einer entsprechenden Systemarchitektur<br />

um und wird prototypisch über das Engineering-<br />

Werkzeug e!Cockpit von Wago projektiert. Foto: Wago<br />

STANDARDISIERUNG DER SCHNITTSTELLEN: Wago,<br />

die Technische Universität Dresden und die Helmut-<br />

Schmidt-Universität Hamburg haben mit Dima ein<br />

Konzept <strong>für</strong> die Automatisierungstechnik von <strong>modulare</strong>n<br />

Prozessanlagen vorgestellt. Foto: ©industrieblick/fotolia.com<br />

Modulare Anlagen regen derzeit nicht nur innerhalb<br />

der Prozessindustrie zu Diskussionen an,<br />

sondern auch im Rahmen der fruchtbaren Zusammenarbeit<br />

von Wissenschaft und Wirtschaft: Der Automatisierungsexperte<br />

Wago Kontakttechnik hat zusammen<br />

mit der Technischen Universität Dresden und der<br />

Helmut-Schmidt-Universität Hamburg das Automatisierungs-konzept<br />

Dima vorgestellt: ‚<strong>Dezentrale</strong> <strong>Intelligenz</strong><br />

<strong>für</strong> <strong>modulare</strong> Anlagen‘. Detailliert beschrieben<br />

wird dieser Ansatz in einem Hauptbeitrag ab Seite 34<br />

dieser Ausgabe.<br />

Modulare Prozessanlagen stellen eines der zukunftsträchtigsten<br />

Konzepte in der modernen Prozessindustrie<br />

dar. Und das nicht von ungefähr. Wo die vielfältigen<br />

Teilschritte eines Produktionsprozesses in autarken<br />

Modulen realisiert und automatisiert werden,<br />

gewinnt der Anlagenbetreiber an Flexibilität und Effizienz.<br />

Denn <strong>modulare</strong> Prozessanlagen lassen sich wesentlich<br />

schneller aufbauen, umbauen, erweitern und<br />

verlagern als konventionelle Anlagen. Voraussetzung<br />

einer <strong>modulare</strong>n Anlagenarchitektur ist, sämtliche<br />

Komponenten, die <strong>für</strong> einen bestimmten verfahrenstechnischen<br />

Teilprozess notwendig sind, in separaten<br />

Anlagenmodulen zu integrieren und diese mit eigener<br />

<strong>Intelligenz</strong> auszustatten.<br />

Von der Aufbereitung eines Rohstoffs bis hin zur Verpackung<br />

des Endprodukts erfolgen in der Prozessindustrie<br />

diverse Produktionsschritte, die – jeder <strong>für</strong> sich<br />

– unterschiedlichste Anforderung an die Mechanik<br />

und Automatisierung einer Anlage stellen.<br />

Bei der Verarbeitung von beispielsweise Flüssigkeiten,<br />

muss der Rohstoff häufig in Tanks gelagert und<br />

zuverlässig gekühlt werden. Bei diesem Prozessschritt<br />

– ebenso wie im Falle einer möglichen ‚Pasteurisation‘<br />

– ist eine exakte Temperaturregelung unerlässlich.<br />

Muss der Ausgangsstoff mit anderen Stoffen gemischt<br />

werden, gilt es, einzelne Bestandteile entsprechend<br />

einer vorgegebenen Rezeptur zuzufügen und zu verarbeiten.<br />

Beim abschließenden Abfüllen und Verpacken<br />

des Endprodukts wiederum, müssen exakte<br />

Produktmengen eingehalten oder Maschinentakte<br />

gesteuert werden. Jeder dieser unterschiedlichen Prozessschritte<br />

lässt sich in einem separaten Anlagenmodul<br />

abbilden.<br />

FÜR JEDEN PROZESSCHRITT EIN SEPARATES MODUL<br />

Damit diese einzelnen Anlagenmodule weitestgehend<br />

autark arbeiten, müssen sie neben prozesstechnischen<br />

Elementen wie Sensoren, Aktoren, Heizvorrichtungen,<br />

Pumpen, Motoren oder Ventilen auch elektro- und automatisierungstechnische<br />

Komponenten integrieren.<br />

Die Anforderungen an die <strong>Automation</strong> dieser Module<br />

hat die Namur in ihrer Empfehlung NE 148 definiert.<br />

Sie beschreibt, wie die einzelnen Module zusammenarbeiten<br />

sollen und welche Rolle die Automatisierung<br />

dabei spielt: Die <strong>Automation</strong> innerhalb der Module<br />

20<br />

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

11 / 2014


übernimmt gemäß der NE 148 sämtliche Basisfunktionen<br />

des Moduls selbst. Das Anlagenmodul ‚Pasteurisation‘<br />

muss so beispielsweise einen vorgegebenen<br />

Temperaturverlauf autark regeln. Übergreifende Anlagenfunktionen<br />

– beispielsweise eine Rezeptverwaltung<br />

– sollen hingegen durch eine übergeordnete Automatisierungsebene<br />

ausgeführt werden.<br />

Die Qualitätssicherung des Prozesses findet auf beiden<br />

Ebenen der Automatisierung statt: dezentral, integriert<br />

in jedem Modul, wo die Attribute kontrolliert<br />

werden, die <strong>für</strong> den jeweiligen Fertigungsschritt definiert<br />

sind; und zentral, den einzelnen Analgenmodulen<br />

übergeordnet, durch ein unabhängiges System zur permanenten<br />

Kontrolle der Prozessmesswerte.<br />

MEHR FLEXIBILITÄT DURCH PACKAGE-UNIT-KONZEPT<br />

Einer der wesentlichen Vorteile des Package-Unit-Konzepts<br />

ist die höhere Flexibilität. So können Anlagenbetreiber<br />

schnell und unkompliziert auf Veränderungen<br />

reagieren, die sich aus neuen Anforderungen ihrer<br />

Kunden, Märkte oder Produktionsbedingungen ergeben.<br />

Durch das ‚Plug and play‘-Prinzip der Module wird<br />

die Zeit von der Planung bis zur Inbetriebnahme einer<br />

Anlage deutlich verkürzt. Unter anderem dadurch, dass<br />

ein Teil des Engineerings bereits von den Herstellern<br />

der Module erledigt werden kann. Idealerweise muss<br />

der Anlagenbauer so lediglich die Module zusammenstellen,<br />

die er benötigt, um sein individuelles Anlagenkonzept<br />

zu realisieren.<br />

Diese Integration zu einer Gesamtanlage wird heute<br />

allerdings noch manuell geplant und durchgeführt.<br />

Insbesondere weil die Automatisierungstechnik Anlagenbauern<br />

und -anwendern nach wie vor echte Standards<br />

schuldig bleibt. Die bisher standardmäßig eingesetzten<br />

Prozessleitsysteme unterstützen den <strong>modulare</strong>n<br />

Ansatz in der Regel nur unzureichend. Eine wichtige<br />

Voraussetzung <strong>für</strong> eine nahtlose Integration der Package<br />

Units bleibt darum die Standardisierung der Schnittstellen.<br />

Was im Bereich der physikalischen Schnittstellen<br />

<strong>für</strong> die Ver- und Entsorgung mit Prozessmedien<br />

sowie die Versorgung mit Energie längst selbstverständlich<br />

ist, muss ebenfalls <strong>für</strong> die Schnittstellen gelten,<br />

die dem Datenaustausch dienen. Nur mittels der Definition<br />

von Standards wird es möglich, Prozessmodule<br />

verschiedener Hersteller einfach zu einer Gesamtanlage<br />

zu integrieren.<br />

DIMA SETZT DIE ANFORDERUNGEN DER NE 148 UM<br />

Der Automatisierungsspezialist Wago hat zusammen<br />

mit der Technischen Universität Dresden und der<br />

Helmut-Schmidt-Universität Hamburg ein solches<br />

Konzept <strong>für</strong> die Automatisierungstechnik von <strong>modulare</strong>n<br />

Prozessanlagen vorgestellt: Dima – <strong>Dezentrale</strong><br />

<strong>Intelligenz</strong> <strong>für</strong> <strong>modulare</strong> Anlagen. Das Konzept setzt<br />

die vielfältigen Anforderungen der NE 148 in einer entsprechenden<br />

Systemarchitektur um und wird proto-<br />

typisch über das Engineering-Werkzeug e!Cockpit von<br />

Wago projektiert. Offene Schnittstellen und eine standardisierte<br />

Kommunikation, wie sie in diesem Konzept<br />

umgesetzt wurden, sind die wesentlichen Grundvoraussetzungen<br />

da<strong>für</strong>, dass Module verschiedener<br />

Hersteller problemlos in einer Anlage zusammenarbeiten<br />

können.<br />

Das Engineering basiert auf dienstbasierter Kommunikation<br />

zwischen Modul und übergeordnetem<br />

Automatisierungssystem. Das Modul enthält eine<br />

standardisierte Beschreibung, in der seine Funktionen<br />

definiert sind. Von der übergeordneten Steuerung<br />

ist der Aufruf dieser Modulfunktionen möglich,<br />

ohne die Details der Abläufe innerhalb des Moduls<br />

zu kennen. Um einem übergeordneten System die Eigenschaften<br />

und Funktionen des Moduls zur Verfügung<br />

zu stellen, wird eine Beschreibungsdatei – das<br />

sogenannte Modul Type Package (MTP) – verwendet.<br />

Darin sind neben den Funktionen und Diensten des<br />

Moduls auch Informationen zu seiner Bedienung und<br />

Visualisierung enthalten.<br />

Im Rahmen des Dima-Projekts wurden das Engineering<br />

und die Integration in ein übergeordnetes<br />

Leitsystem exemplarisch mittels eines Scada-Systems<br />

und eines Prozedur-Systems umgesetzt. In den übergeordneten<br />

Systemen werden die einzelnen Module<br />

bedient, beobachtet und überwacht, indem die zur<br />

Verfügung gestellten Dienste aufgerufen werden. Für<br />

die Realisierung des Dima-Konzepts sind offene<br />

Schnittstellen der übergeordneten Scada- und Prozedur-Systeme<br />

eine notwendige Voraussetzung. Die<br />

beteiligten Verbände und Unternehmen sind aufgerufen,<br />

gemeinsam an einer Vereinheitlichung solcher<br />

Schnittstellen zu arbeiten.<br />

AUTOR<br />

ULRICH HEMPEN<br />

ist Leiter Market<br />

Management bei Wago<br />

Kontakttechnik.<br />

WAGO Kontakttechnik GmbH & Co. KG,<br />

Hansastr. 27, D-32423 Minden,<br />

Tel. + 49 (0) 571 88 73 80,<br />

E-Mail: ulrich.hempen@wago.com<br />

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

11 / 2014<br />

21


PRAXIS<br />

Smartglass und Smartwatch erlauben eine völlig<br />

neue Dimension der Steuerung von Anlagen<br />

Erste Einsatzmöglichkeiten im Industrie 4.0-Umfeld wurden bereits vorgestellt<br />

TECHNOLOGIE MIT POTENZIAL: Dank Datenbrillen kann ein Anlagenbediener<br />

stets die Hände frei haben – und dennoch alle wichtigen<br />

Informationen ohne Verzögerung bekommen. Bilder: AZO Controls<br />

SMARTWATCH STATT TABLET: Auch mit dem<br />

Gerät am Handgelenk kann der Bediener<br />

beispielsweise einen Wiege vorgang steuern.<br />

Die Einsatzmöglichkeiten von Smartglasses (Datenbrillen)<br />

und Smartwatches reichen weit über den<br />

Consumer-Bereich hinaus. Auch in der Automatisierungstechnik<br />

bieten sie enormes Potenzial. Erste Anwendungsmöglichkeiten<br />

im Automatisierungsumfeld<br />

hat AZO Controls in enger Kooperation mit dem Usability<br />

and Interaction Technology Laboratory (UniTy-<br />

Lab) der Hochschule Heilbronn und Beckhoff <strong>Automation</strong><br />

kürzlich demonstriert.<br />

Industrie 4.0 soll eine neue industrielle Revolution<br />

einleiten. Die Idee ist nicht ganz neu. Schon vor 20<br />

Jahren verfolgte die Industrie mit Computer-integrated-<br />

Manufacturing (CIM) ähnliche Ansätze. Damals scheiterte<br />

CIM daran, dass Daten-Systeme, Sensorik und<br />

Aktorik sowie Funktechnik <strong>für</strong> die Übermittlung an<br />

Maschinen und mobiles Equipment noch nicht vorhanden<br />

oder leistungsfähig genug waren. Auch holonische<br />

Systeme mit intelligentem Equipment, mit denen sich<br />

AZO Controls (vormals hsh-systeme <strong>für</strong> prozess-IT)<br />

bereits Ende der 90er Jahre des letzten Jahrhunderts<br />

beschäftigt hat, gingen in die gleiche Richtung.<br />

Heute sieht die Welt völlig anders aus. Neue Bedienkonzepte<br />

und technische Entwicklungen wie Datenbrillen<br />

und Smartwatches eröffnen eine neue Dimension<br />

der Bedienerführung und Anlagenbedienung<br />

in der Zukunft. Insbesondere die Produktions-, Ölund<br />

Gasindustrie kann massiv von Datenbrillen profitieren.<br />

Studien gehen von einem Einsparpotenzial<br />

von einer Milliarde US Dollar, aufgrund neuer Konzepte<br />

zur Bedienerführung und Anlagenvisualisierung,<br />

aus – beispielsweise durch Einblendung von<br />

kontextsensitiven Zusatzinformationen und von Instruktionen<br />

etwa im Service-/Wartungsfall oder bei<br />

der Fernwartung.<br />

Die Einsatzmöglichkeiten einer Datenbrille – in diesem<br />

Fall Google Glass – demonstrierte AZO Controls<br />

in enger Kooperation mit dem UniTyLab der Hochschule<br />

Heilbronn und Beckhoff <strong>Automation</strong> jüngst bei der<br />

Fachmesse Interpack.<br />

PRODUKTIONSDATEN IM DISPLAY DER BRILLE<br />

Aktuelle Anwendungsdaten, direkt aus einer Produktionsanlage,<br />

wie Auftragsinformationen, Maschinenstörungen,<br />

aktuelle Zähler oder Maschinenstati werden<br />

dem Anlagenbediener live auf dem Projektionsdisplay<br />

der Datenbrille und auf unterschiedlichen mobilen Geräten<br />

– wie Mobiltelefon, oder Tablet-PC – visuell dargestellt.<br />

Bei der Präsentation konnten Besucher zusätzlich<br />

per Knopfdruck eine Störung in einer virtuellen<br />

Fabrik simulieren, die auf dem Projektionsdisplay der<br />

22<br />

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

11 / 2014


Unser<br />

Know-how<br />

<strong>für</strong> Sie<br />

Datenbrille angezeigt wurde und auch direkt an der<br />

Datenbrille quittiert werden konnte.<br />

Über aktuelle Web-Technologien wurden diese<br />

Informationen ebenfalls auf unterschiedlichsten mobilen<br />

Geräten unter Android, Windows oder iOS angezeigt.<br />

Die zusätzlich zur Datenbrille gezeigte Anlagenvisualisierung<br />

ist plattformunabhängig und<br />

läuft mittels HTML 5 in fast allen gängigen Browsern.<br />

Besuchen Sie uns:<br />

MEORGA Rhein-Ruhr<br />

05.11.2014<br />

RuhrCongress Bochum<br />

Stand J5<br />

DER BEDIENER HAT IMMER DIE HÄNDE FREI<br />

Dank Datenbrille hat der Bediener die Hände immer<br />

frei, um seine Arbeiten auszuführen. Da er die Brille<br />

immer bei sich trägt – ohne dass sie ihn bei der Arbeit<br />

behindert – entfällt die Suche nach den heute schon<br />

klassischen mobilen Geräten wie PDA, BC-Scanner<br />

oder mobile Panels. Spezielle und nicht sicherheitsrelevante<br />

Störmeldungen können, sofern dies gewünscht<br />

und erlaubt ist, direkt über die Datenbrille<br />

quittiert werden. Die Steuerung der Datenbrille erfolgt<br />

entweder über Sprachkommandos oder durch<br />

Berührung des Touchpads am Bügel der Datenbrille.<br />

Die Live-Daten der Produktionsanlage werden von<br />

einem Emdedded Controller von Beckhoff gesammelt,<br />

vom Plant Intelligence (BDE- und KPI)-Modul<br />

PI, des von AZO Control entwickelten Produktionsleitsystems<br />

Kastor, aufbereitet und über WLAN direkt<br />

an die Datenbrille gesendet.<br />

Was macht die neue Technologie der Datenbrillen<br />

so besonders? Im Gegensatz zu den herkömmlichen<br />

Bedienkonzepten bietet eine Datenbrille dem Bediener<br />

die Möglichkeit an, die Anlage zu überwachen<br />

und sogar direkt in den Prozess einzugreifen ohne<br />

dabei selbst vor Ort zu sein.<br />

SITUATIONSABHÄNGIGE ANZEIGE DER DATEN<br />

Denkbar ist es ebenfalls, anlagenspezifische Informationen<br />

etwa <strong>für</strong> Wartungspersonal, Schichtführer<br />

oder Qualitätssicherungspersonal genau dann anzuzeigen,<br />

wenn sie vom Träger der Datenbrille benötigt<br />

werden. Diese Informationen können beispielsweise<br />

ereignisgesteuert dann angezeigt werden wenn sich<br />

der Träger der Datenbrille an einem bestimmten Ort<br />

befindet und dort den Equipment- oder Rohstoff-<br />

Barcode eines Bauteils oder einer Maschine mit der<br />

Digitalkamera der Datenbrille scannt. Technisch<br />

möglich sind ebenfalls Telefon- und Videoanrufe bei<br />

entsprechenden Servicetechnikern oder das gezielte<br />

Navigieren von Bedienern durch eine Anlage mit<br />

Hilfe von beispielsweise Indoor-Navigationssystemen.<br />

Der Träger der Datenbrille hat zu jeder Zeit beide<br />

Hände frei.<br />

Eine komplett andere Art einer zukünftigen Bedienmöglichkeit<br />

erlaubt der Einsatz von Smartwatches.<br />

Dieser Ansatz wurde kürzlich auf der Fachmesse Powtech<br />

ebenfalls in enger Kooperation mit dem UniTyLab<br />

der Hochschule Heilbronn dem Fachpublikum vorge-<br />

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Mit über 50 weitgehend selbstständigen<br />

Tochtergesellschaften und<br />

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ist SAMSON auf allen Kontinenten<br />

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PRAXIS<br />

stellt. Schwerpunkt in diesem Szenario war wiederum,<br />

dass der Bediener seine Hände frei haben sollte, um<br />

seine täglichen Arbeiten zu erledigen. Alle wichtigen<br />

Informationen zu nötigen Arbeitsschritten werden dem<br />

Bediener direkt auf eine Smartwatch – in diesem Fall<br />

Samsung Galaxy Gear 2 – am Handgelenk gesendet und<br />

visualisiert. Bei neuen Informationen kann die Smartwatch<br />

vibrieren und signalisiert dem Bediener neue Aktivitäten<br />

die speziell <strong>für</strong> ihn relevant sind.<br />

Im realisierten Anwendungsfall wurde der Bediener<br />

durch einen manuellen Wiegeprozess im Rahmen einer<br />

parallel zum Fertigungsprozess durchzuführenden<br />

Handverwiegung geführt. Auftrags- und Rohstoffinformationen<br />

sowie die Anforderung zur Rohstoffidentifizierung<br />

mittels Barcode werden direkt auf der<br />

Smartwatch angezeigt. Nach der Identifikation des<br />

richtigen Rohstoffes durch eine Barcodelesung über<br />

die in der Smartwatch eingebaute Kamera kann der<br />

Bediener den Gewichtswert der Tischwaage live auf<br />

der Smartwatch verfolgen und die Wiegung bei Erreichen<br />

des Sollgewichtes durch Berühren des Touchbildschirms<br />

auf der Smartwatch abschließen.<br />

SUCHE NACH ANZEIGEGERÄTEN WIRD ÜBERFLÜSSIG<br />

Alle Daten und Bedieneraufforderungen werden innerhalb<br />

der Ablaufsteuerung des von AZO Controls entwickelten<br />

Produktionsleitsystem Kastor in Verbindung<br />

mit der Manuellen Dosierstation (ManDos) verarbeitet<br />

und entweder über WLAN oder Bluetooth an die mobilen<br />

Geräte wie Tablet-PC oder Smartwatch versendet.<br />

Vorgestellt wurde neben dem neuen ManDos-Client auf<br />

einer Smartwatch unter dem Betriebssystem Tizen<br />

gleichzeitig ein neuer ManDos-Client auf einem Tablet-<br />

PC unter Android.<br />

Das Produktionsleitsystem Kastor bietet somit neben<br />

den klassischen Bedienclients unter Windows die Möglichkeit,<br />

Endgeräte unter Android oder Tizen anzubinden<br />

und in die Automatisierungswelt zu integrieren.<br />

Die Vorteile dieser neuartigen Bedienerführung sind<br />

genau wie im ersten Beispiel mit einer Datenbrille, dass<br />

der Bediener sich auf seine Arbeit konzentrieren kann<br />

und vom System informiert wird, sobald eine Aufgabe<br />

oder wichtige Informationen gezielt <strong>für</strong> ihn bereit stehen.<br />

Er hat zu jeder Zeit beide Hände frei und muss<br />

keine mobilen Anzeigegeräte suchen oder sich seine<br />

Informationen an einem fest installierten PC irgendwo<br />

in der Produktionsanlage oder einer Leitwarte holen.<br />

Da der Bediener das Anzeigegerät der Zukunft immer<br />

bei sich trägt und es ihn trotz allem nicht behindert,<br />

entsteht eine völlig andere Art des Arbeitens im<br />

Zeitalter von Industrie 4.0. Mobile Geräte unterschiedlicher<br />

Plattformen werden das Arbeiten in Produktionsanlagen<br />

perspektivisch grundlegend verändern.<br />

Neue Geräte und Technologien bieten völlig andere<br />

Möglichkeiten der Visualisierung und Bedienerführung<br />

in der Zukunft.<br />

Aktuell ist unter anderem aufgrund von geringen Akkulaufzeiten<br />

ein dauerhafter mehrschichtiger Einsatz<br />

von Datenbrillen oder einer Smartwatch in heutigen<br />

Produktionsanlagen aus unserer Sicht noch nicht möglich.<br />

Aber in diesem Segment wird es in nächster Zeit<br />

Entwicklungen geben, die dies ermöglichen werden.<br />

Zusätzlich müssen diverse rechtliche Themen im Bereich<br />

Datenschutz und Unfallverhütung ebenfalls noch<br />

abschließend geklärt werden. Aber sowohl Datenbrille<br />

als auch Anzeigegeräte am Handgelenk des Bedieners<br />

werden in der Automatisierungstechnik der Zukunft<br />

eine feste Rolle spielen.<br />

AUTOREN<br />

Prof. Dr.-Ing. GERRIT<br />

MEIXNER ist Direktor des<br />

UniTyLab und Professor <strong>für</strong><br />

Mensch-Computer-Interaktion<br />

sowie Vorsitzender des VDI/<br />

VDE-GMA FA 5.31 ‚Nutzergerechte<br />

Gestaltung von<br />

Maschinenbediensystemen‘.<br />

Hochschule Heilbronn, UniTyLab,<br />

Max-Planck-Str. 39, D-74081 Heilbronn,<br />

Tel. +49 (0) 7131 504 67 31,<br />

E-Mail: Gerrit.Meixner@hs-heilbronn.de<br />

STEFFEN GÜNTER ist<br />

Leiter der Bereiche<br />

Entwicklung/Standardisierung<br />

sowie der IT<br />

bei AZO CONTROLS.<br />

AZO CONTROLS GmbH,<br />

Heiner-Fleischmann-Strasse 7,<br />

D-74172 Neckarsulm, Tel. +49 (0) 7132 934 20,<br />

E-Mail: Steffen.Guenter@azo.com<br />

24<br />

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

11 / 2014


Experten fragen, Experten antworten:<br />

Missverständnisse rund um SIL<br />

Rückblick zur 6. SIL-Sprechstunde Funktionale Sicherheit im September<br />

BESONDERS GESCHÄTZT wurde von den Teilnehmern die<br />

einzigartige Kombination aus Fachvorträgen und praxisnaher<br />

Beratung in der Sprechstunde. Bild: Pepperl+Fuchs GmbH<br />

Zum Thema ‚Irrtümer und Missverständnisse rund<br />

um SIL‘ fand am 23. und 24. September die bereits<br />

6. SIL-Sprechstunde Funktionale Sicherheit in Mannheim<br />

statt. Das von Pepperl+Fuchs in Kooperation mit<br />

der <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> veranstaltete Seminar mit 34 Teilnehmern<br />

sowie 11 Referenten und Branchen-Experten stand<br />

unter dem Motto ‚Experten fragen – Experten antworten‘.<br />

Brachten am ersten Tag Plenarvorträge rund um die<br />

einschlägigen Normen die Teilnehmer auf den neuesten<br />

Stand im Bereich der funktionalen Sicherheit, so stand<br />

der zweite Tag ganz im Zeichen der Sprechstunde. Hier<br />

hatten die Teilnehmer die Möglichkeit, ihre vorab eingereichten<br />

individuellen und speziellen Fragen rund<br />

um SIL zu stellen und in drei Kleingruppen offen mit<br />

den praxiserfahrenen Referenten zu diskutieren.<br />

Die Funktionale Sicherheit ist ein komplexes Feld,<br />

das gerade in der praktischen Anwendung im Automatisierungsprozess<br />

zahlreiche Fragen aufwirft. Dabei<br />

soll der Sicherheits-Integritätslevel (SIL) die Zuverlässigkeit<br />

der Sicherheitsfunktionen einer Anlage im Zusammenspiel<br />

mit deren Feldgeräten und den Steuerungssystemen<br />

beurteilen. Ziel ist es, die Risiken <strong>für</strong><br />

Menschen und die Umwelt zu minimieren. Im Zentrum<br />

stehen wichtige Maßnahmen zur Vermeidung und Beherrschung<br />

systematischer sowie zufälliger Fehler.<br />

Letztendlich müssen alle sicherheitsrelevanten Teile<br />

der Schutz- und Steuereinrichtungen korrekt funktionieren<br />

und sich im Fehlerfall so verhalten, dass die<br />

Anlage in einem sicheren Zustand bleibt oder in einen<br />

sicheren Zustand gebracht wird.<br />

Unter der Moderation von Jürgen George und Andreas<br />

Hildebrandt von Pepperl+Fuchs betrachteten die<br />

Fachvorträge der Experten das Thema SIL aus unterschiedlichsten<br />

Blickwinkeln. So sprach Josef Kuboth<br />

vom Landesamt <strong>für</strong> Natur, Umwelt und Verbraucherschutz<br />

Nordrhein-Westfalen über das Thema ‚Vom Umgang<br />

mit SIL – Erfahrungen eines Behördenvertreters‘<br />

Johann Ströbl, TÜV Süd, über ‚Fallstricke bei der SIL-<br />

Erreichung – Beobachtungen einer Prüfstelle‘ und Heiko<br />

Schween von HIMA Paul Hildebrandt über ‚Die<br />

meistgemachten Fehler in der funktionalen Sicherheit‘.<br />

Nicht auf der Agenda fehlen durften Beiträge von Thomas<br />

Gabriel, Bayer Technology Services, über die ‚Richtige<br />

Mitbenutzung sicherheitstechnischer Komponenten<br />

<strong>für</strong> die Prozessleittechnik‘ von Peter Sieber, HIMA<br />

Paul Hildebrandt, zum Thema ‚Korrelation zwischen<br />

funktionaler Sicherheit und IT-Security‘ sowie von Andreas<br />

Hildebrandt, Pepperl+Fuchs, zur wichtigen Frage<br />

‚Ist SIL eine Produkteigenschaft?‘.<br />

Wie groß die Unsicherheit im Umgang mit SIL und<br />

der Beratungsbedarf in der Praxis ist, zeigten die zahlreichen<br />

Fragen der Teilnehmer. Das Spektrum reichte<br />

von ‚Was muss beachtet werden, wenn Anlagen erweitert<br />

werden und sich daraus Änderungen bei bereits<br />

bestehenden Sicherheitsfunktionen ergeben?‘ über ‚Unter<br />

welchen Voraussetzungen können die Anforderungen<br />

der Norm auch ohne rechnerischen Nachweis erfüllt<br />

werden?‘ bis hin zu sehr konkreten Fragen wie<br />

‚Muss man bei einem SIL-Kreis mit einem Sensor, der<br />

10 Aktoren abschaltet in der PFD-Nachweisrechnung<br />

<strong>für</strong> den Ausgang mit einer 10oo10-Funktion rechnen<br />

oder erstellt man 10 einzelne Berechnungen mit jeweils<br />

einem Sensor, der auf einen Aktor geht?‘.<br />

Als weitere Experten der Sprechstunde standen neben<br />

den Referenten der Fachvorträge auch Martin Herrmann<br />

(Evonik), Bernd Schrörs (Bayer Technology Services),<br />

Werner Brockschmidt (Tesium) sowie Dirk<br />

Hablawetz (BASF) den Fragen der Teilnehmer Rede und<br />

Antwort. Als buntes Rahmenprogramm am Abend rundete<br />

eine Besichtigung des Hockenheim Rings die Veranstaltung<br />

ab, mit einem Rundgang durch die Boxengasse<br />

und dem Fahrerlager sowie anschließendem ‚Get-<br />

Together‘ bei einem Barbecue. Besonders geschätzt<br />

wurde von den Teilnehmern die einzigartige Kombination<br />

aus Fachvorträgen und praxisnaher Beratung in<br />

der Sprechstunde. Die nächste SIL-Sprechstunde ist<br />

<strong>für</strong> den 22. und 23. September 2015 geplant.<br />

AUTOR/ANSPRECHPARTNER<br />

MARKUS HOFELICH ist<br />

Redaktionsleiter der <strong>atp</strong> <strong>edition</strong>.<br />

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH,<br />

Redaktion <strong>atp</strong>,<br />

Arnulfstraße 124, D-80636 München,<br />

Tel. +49 (0) 89 203 53 66-33,<br />

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

Internet: www.sil-sprechstunde.de<br />

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

11 / 2014<br />

25


PRAXIS<br />

Automatisierungstechnik in Anlandestation <strong>für</strong><br />

Erdgas gewährleistet höchste Zuverlässigkeit<br />

Feldinstrumentierung aus einer Hand vereinfacht Anlagenplanung und Instandhaltung<br />

DURCHFLUSSMESSUNGEN IM WARMWASSERSYSTEM:<br />

Das Ultraschall-Clamp-on-System Prosonic Flow<br />

ermöglicht eine genaue und kostengünstige Durchflussmessung<br />

von außen, ohne Prozessunterbrechung.<br />

Bilder: Gascade Gastransport GmbH<br />

ANLANDESTATION LUBMIN: Bis zu 6,6 Millionen Kubikmeter<br />

russisches Erdgas werden dort pro Stunde aufbereitet,<br />

gemessen und auf zwei weiterführende Pipelines aufgeteilt.<br />

Bild: Luftaufnahme Nord Stream/Dr. Jan Kube<br />

Riesige Mengen Erdgas aus Russland werden in der<br />

Anlandestation Lubmin gemessen und <strong>für</strong> den<br />

Transport über Pipelines aufbereitet. Die Messtechnik<br />

muss dort ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit bieten. Die<br />

umfangreiche Feldinstrumentierung weitgehend aus<br />

einer Hand zu bekommen, brachte den Planern mehrere<br />

Vorteile: Sie konnten die Voraussetzung <strong>für</strong> ein optimales<br />

Instandhaltungsmanagement schaffen und die Zahl<br />

der Schnittstellen zu Lieferanten deutlich reduzieren.<br />

An der Küste Mecklenburg-Vorpommerns schlägt das<br />

automatisierungstechnische Herz der größten europäischen<br />

Energie-Infrastrukturinvestition der letzten<br />

Jahre. Dort erreicht die Nord Stream Pipeline deutschen<br />

Boden und liefert pro Stunde bis zu 6,6 Mio. Kubikmeter<br />

russisches Erdgas zur neuen Anlandestation Lubmin<br />

bei Greifswald. Das im 1200 Pipeline-Kilometer<br />

entfernten russischen Wyborg eingespeiste Erdgas wird<br />

dort aufbereitet und gemessen, bevor es durch die Pipelines<br />

‚Opal‘ (Ostsee-Pipeline-Anbindungsleitung) nach<br />

Süden bis in die Tschechische Republik sowie ‚NEL‘<br />

(Nordeuropäische Erdgasleitung) nach Westen in Richtung<br />

des Speichers Rehden weitergeleitet wird.<br />

In Lubmin müssen nicht nur zwei Prozesse – Gas und<br />

Warmwasser – mit großer Präzision parallel geregelt<br />

werden. Die Anlage soll wegen ihrer sehr großen Bedeutung<br />

<strong>für</strong> die Versorgungssicherheit in Deutschland<br />

und Europa auch ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit<br />

aufweisen. Daher sind die Ausrüstungen und Rohrleitungssysteme<br />

hochverfügbar aufgebaut, und das gilt<br />

auch <strong>für</strong> die Feldinstrumentierung. Rund 850 Sensoren,<br />

mehr als 2400 Ventile und 420 elektrische Antriebe<br />

wurden installiert. Zum Einsatz kommt die neueste<br />

Generation der Automatisierungs- und Messtechnik.<br />

Im Auftrag der Fernleitungsnetzbetreiber Opal<br />

Gastransport GmbH und der NEL Gastransport GmbH<br />

sowie der Industriekraftwerk Greifswald GmbH war die<br />

Gascade Gastransport GmbH verantwortlich <strong>für</strong> die<br />

Planung und Realisierung der Gesamtanlage.<br />

GASMENGE UND -DRUCK WERDEN EXAKT GEMESSEN<br />

Eine der Hauptaufgaben besteht darin, das im Winter<br />

mit Minusgraden ankommende Gas konstant auf notwendige<br />

Plusgrade hinter der Druckreduzierung zu halten.<br />

Die Wärme liefern vor allem drei große, erdgasbetriebene<br />

Wasserkesselanlagen mit jeweils 40 MW Leistung.<br />

Nur mit Kenntnis der genauen Gasmenge und des<br />

korrespondierenden Drucks ist ein optimierter Betrieb<br />

des Wärmesystems möglich. Die Wasserkessel müssen<br />

zudem ausreichend Wärme <strong>für</strong> den Gastransport bis zur<br />

nächsten Verdichterstation im 280 km entfernten Radeland<br />

bereitstellen. Teil der Gesamtanlage ist auch eine<br />

Gasturbine. Der von ihr erzeugte Strom wird ins Netz<br />

eingespeist. Ihre Abwärme wird zusätzlich genutzt, um<br />

das Erdgas in der Anlandestation zu erwärmen.<br />

Bei der Feldinstrumentierung entschied sich Gascade<br />

<strong>für</strong> die Zusammenarbeit mit Endress+Hauser. Im<br />

Vordergrund standen die Hauptparameter Füllstand,<br />

Dichte, Durchfluss, Prozessdruck, Differenzdruck,<br />

26<br />

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

11 / 2014


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Temperatur und Energiemengenmessung. Neben<br />

standardmäßigen Druck- und Temperaturmessungen<br />

<strong>für</strong> die Überwachung und Regelung von<br />

Gasdruck und Gastemperatur im komplexen Rohrund<br />

Warmwassersystem, wurden auch spezielle<br />

Aufgabenstellungen gelöst.<br />

In der Gasvorwärmung müssen die Kessel des<br />

Warmwassersystems (Niederdruck) vor überhöhtem<br />

Druck aus dem Gasnetz (Hochdruck) geschützt werden.<br />

Das Wärmetauschersystem ist deshalb mit<br />

einem Dichte-Liquiphant FTL51 und Auswerterechner<br />

FML621 ausgerüstet. Die Verwendung des altbewährten<br />

Vibrationsprinzips Liquiphant erlaubt<br />

eine sehr kostengünstige Dichtemessung im Vergleich<br />

zu anderen Verfahren. Der kompakte, direkte<br />

Einbau erleichtert Montage und Inbetriebnahme.<br />

Die Schwinggabel des Liquiphant erkennt bereits<br />

geringste Gasleckagen und schützt das Wärmetauschersystem<br />

durch ein entsprechendes Grenzsignal<br />

vor einer größeren Beschädigung.<br />

Die Referenzklasse <strong>für</strong> die<br />

Automatisierungstechnik<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> ist das Fachmagazin <strong>für</strong> die Automatisierungstechnik.<br />

Die Qualität der wissenschaftlichen Hauptbeiträge<br />

sichert ein strenges Peer-Review-Verfahren. Bezug zur<br />

automatisierungstechnischen Praxis nehmen außerdem<br />

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

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ENERGIEMENGE MIT 0,2 % GENAUIGKEIT ERFASST<br />

Weiterhin erfordert die exakte Regelung des Wärmesystems<br />

hochpräzise Energiemengenmessungen. Die<br />

Energiemenge des mit der Abwärme der Gasturbine<br />

erzeugten Warmwassers wird mit einer Genauigkeit<br />

von 0,2 % erfasst. Da<strong>für</strong> sorgen als Durchflussgeber<br />

magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte vom<br />

Typ Promag 53. Eine patentierte ECC-Schaltung zur<br />

Verhinderung von Magnetitablagerungen garantiert<br />

den sicheren Messbetrieb.<br />

In Kombination mit gepaarten Temperaturfühlern<br />

Omnigrad TR13 und dem Bildschirmschreiber Memograph<br />

RSG40 liefert die komplette Messanordnung<br />

zuverlässige Werte <strong>für</strong> den Anlagenbetrieb.<br />

Die Auswertung der Wärmemengenmessung aus<br />

Durchfluss sowie Vor- und Rücklauftemperatur erfolgt<br />

mit manipulationssicherer Registrierung und<br />

einem Datenexport nach Excel. Die Anbindung an<br />

das Leitsystem erfolgt per Profibus DP und Ethernet.<br />

Eine weitere Herausforderung bestand in der Projektierung<br />

der Temperaturhülsen im Rauchgaskanal<br />

der Gasturbine. Diese Hülsen nehmen die Temperaturfühler<br />

zur Messung des Abgasstromes auf und<br />

müssen <strong>für</strong> die extremen mechanischen und thermischen<br />

Belastungen mit hoher Sicherheit ausgelegt<br />

werden. Mit einem speziellen Schutzrohrberechnungsprogramm<br />

von Endress+Hauser wurden die<br />

Merkmale der Konstruktion festgelegt. Als Ergebnis<br />

darf bei einer Fließgeschwindigkeit des Rauchgases<br />

von 40 m/sec die Schutzhülse nur maximal 125 mm<br />

in den Prozess reichen. Damit das Schutzrohr auch<br />

im Anschlussstutzen nicht vibriert, muss zusätzlich<br />

noch ein Stützring auf die Schutzhülse aufgeschweißt<br />

werden. Die Applikation ist somit optimal ausgelegt<br />

<strong>für</strong> sicheren Betrieb und genaueste Messung.<br />

<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> erscheint in der DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München


PRAXIS<br />

KONTROLLE DES WARMWASSERSPEICHERS:<br />

Ultraschallmessumformer überwachen die<br />

Zu- und Ablaufmengen.<br />

SICHER IM<br />

SCHUTZKASTEN:<br />

Druck- und<br />

Differenzdruckmessungen<br />

erfolgen mit<br />

Cerabar S- und<br />

Deltabar<br />

S-Transmittern.<br />

Zur Überwachung der Bespannung der Gasabsperrarmaturen<br />

wurde ein Differenzdruckmessumformer<br />

der Serie Deltabar PMD75 gewählt. Der Messumformer<br />

verfügt über umfangreiche Diagnosefunktionen und ist<br />

von der Messzelle bis zur Elektronik funktionsüberwacht.<br />

Diese Funktionen unterstützen den reibungslosen<br />

Ablauf von Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten<br />

an den Armaturen.<br />

UNEMPFINDLICH GEGENÜBER PULSATIONEN<br />

Der in hohen Stückzahlen eingesetzte Drucktransmitter<br />

Cerabar S PMP71 kommt zusätzlich auf den Pipelines<br />

mit der innerstaatlichen Bauartzulassung der Physikalisch<br />

Technischen Bundesanstalt (PTB) zum Einsatz.<br />

Dem Gerät wurde seitens der PTB die bestmögliche<br />

Messperformance von 0,2 % (Eichanforderung) auf den<br />

Momentanwert im Temperaturbereich von –20 bis<br />

+50 °C bestätigt. Neben dem eichfähigen Druckmessumformer<br />

Cerabar S bietet Endress+Hauser den Gasdurchflusszähler<br />

Promass 84F sowie den Temperaturfühler<br />

Omnigrad S als Komponenten in einem eichamtlichen<br />

System an. Der nach dem Coriolis-Prinzip messende<br />

Promass ist wartungsfrei, da er ohne bewegliche<br />

Teile arbeitet. Bei Planung und Montage brauchen keine<br />

Ein- und Auslaufstrecken berücksichtigt zu werden.<br />

Im Vergleich zu Ultraschallzählern ist das Messsystem<br />

unempfindlich gegenüber Pulsationen und Druckschlägen<br />

im Prozess. Der Promass ist hier zur Überwachung<br />

der Erdgasmenge an der Gasturbine eingesetzt.<br />

DURCHFLUSSMESSUNG IM LAUFENDEN PROZESS<br />

Die betrieblichen Durchflussmessungen im Warmwassersystem<br />

der Anlandestation wurden mit dem Prosonic<br />

Flow 93 realisiert. Das Ultraschall-Clamp-on-System<br />

ermöglicht eine genaue und kostengünstige Durchflussmessung<br />

von außen ohne Prozessunterbrechung. Die<br />

Messung verursacht keine Druckverluste und spart somit<br />

hydraulische Leistungsverluste. Die variable Einbaumöglichkeit<br />

erlaubt bereits in der Vorplanung Kosteneinsparungen<br />

durch möglichen Verzicht auf Flansche.<br />

Dass Endress+Hauser die gesamte Bandbreite der Kundenanforderungen,<br />

von der Standard- bis zur Spezialanwendung,<br />

abdecken konnte, bot verschiedene Vorteile.<br />

Durch einheitliche Projektdokumentation sowie ein<br />

einheitliches Bedien- und Toolingkonzept <strong>für</strong> die unterschiedlichen<br />

Messumformer wurde die Voraussetzung<br />

<strong>für</strong> optimales Instandhaltungsmanagement im Anlagenbetrieb<br />

geschaffen. Zudem konnte Gascade in der Projektabwicklung<br />

die Zahl der Schnittstellen minimieren.<br />

In der Betriebsphase können durch die reduzierte und<br />

passgenaue Auswahl der Prozessmesstechnik die Wartungs-<br />

und Instandhaltungskosten verringert werden.<br />

AUTOR<br />

ANDREAS SCHMIDT<br />

ist Branchenmanager<br />

Öl&Gas bei<br />

Endress+Hauser<br />

Weil am Rhein.<br />

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

Colmarer Straße 6, D-79576 Weil am Rhein,<br />

Tel. +49 (0) 7621 97 59 86,<br />

E-Mail: andreas.schmidt@de.endress.com<br />

28<br />

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

11 / 2014


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PRAXIS<br />

Lichtwellenleiter im Industrieeinsatz: Robuste<br />

Komponenten trotzen widrigen Bedingungen<br />

Steckverbinder müssen gegen mechanische Belastungen, Gase und Flüssigkeit gesichert sein<br />

APPLIKATION MIT<br />

LWL-ÜBERTRAGUNG:<br />

Beim Lightning Monitoring<br />

System von Phoenix<br />

Contact, bei dem Blitze wie<br />

hier am Hermannsdenkmal<br />

gemessen werden,<br />

arbeiten Lichtwellenleiter-<br />

Steckverbinder zuverlässig<br />

im Außeneinsatz.<br />

Ausgehend von den Weitverkehrsnetzen in der Telekommunikation<br />

haben Lichtwellenleiter auch im<br />

Industrieumfeld seit Jahren Einzug gehalten. Ob ausgedehnte<br />

Anlagen in der Prozessindustrie oder Fertigungsinseln<br />

um einen Roboter – qualifizierte Lichtwellenleiter<br />

haben viele Vorteile. Um sie nutzen zu können,<br />

müssen auch die eingesetzten Steckverbinder <strong>für</strong> die<br />

raue Industrieumgebung geeignet sein.<br />

Alle Faserarten sind unempfindlich gegenüber elektromagnetischen<br />

Störungen und Überspannungen. Aufgrund<br />

der galvanischen Trennung werden Potential-Verschleppungen<br />

und Ausgleichströme vermieden. Je nach Fasertyp<br />

sind mit Lichtwellenleitern viel höhere Übertragungslängen<br />

möglich als bei einer elektrischen Datenübertragung.<br />

Damit die Datenübertragung zuverlässig funktioniert,<br />

lohnt sich die Betrachtung der technischen Zusammenhänge.<br />

Denn beim Transport der Lichtsignale<br />

durch den Lichtwellenleiter ist Einiges zu beachten.<br />

Einzelne Lichtstrahlen – auch Moden genannt – werden<br />

mittels einer Lichtquelle wie Leuchtdioden oder Laser<br />

in die Faser eingekoppelt. Dort breiten diese sich längs<br />

der Faser aus. Je nach Fasertyp wird bei einer Singlemode-Faser<br />

nur eine Mode transportiert – bei allen<br />

anderen Fasertypen wird eine Vielzahl von Moden weitergeleitet.<br />

Die Moden verlaufen nicht parallel zur optischen<br />

Achse und werden so am Mantel der Faser reflektiert<br />

und in einer anderen Richtung weitergeleitet.<br />

LUFTSCHICHT STÖRT DEN STRAHLENDURCHGANG<br />

Bei einer Steckverbindung stehen sich zwei Faser enden<br />

gegenüber. Das aus der ersten Faser austretende Licht dringt<br />

in die zweite Faser ein und wird dort weitertransportiert.<br />

Hierbei treten jedoch einige störende Effekte auf. So stoßen<br />

die Fasern nie auf ganzer Fläche aufeinander, sodass sich<br />

zwischen den Faserenden eine kleine Luftschicht befindet,<br />

die aufgrund ihres andersartigen Brechungsindex einen<br />

geänderten Strahlengang verursacht. Hier können Moden<br />

so abgelenkt werden, dass sie nicht mehr in der zweiten<br />

Faser weitertransportiert werden – eine Verringerung der<br />

Lichtleistung ist dann die Folge. Außerdem kommt es zu<br />

einer Reflektion der Moden an der Fasergrenzfläche, sodass<br />

einzelne Moden wieder in die Faser zurückgeführt werden.<br />

Auch diese Moden stehen nicht mehr <strong>für</strong> den Weitertransport<br />

zum Signalempfänger zur Verfügung, und zudem können<br />

sie bei einer Lasereinkopplung den Laser stören.<br />

Auch bei einem radialen Versatz der Fasern zueinander<br />

treffen aus der ersten Faser austretende Moden<br />

auf Bereiche der zweiten Faser, die nicht <strong>für</strong> den Weitertransport<br />

der Moden geeignet sind. So entstehen<br />

ebenfalls Dämpfungsverluste.<br />

ABNAHMEMESSUNG MIT EINSCHRÄNKUNGEN<br />

Aufgrund der problematischen Kontaktstelle der Faserendflächen<br />

besteht die Gefahr, dass Staub und andere<br />

Fremdkörper sowie Feuchtigkeit – zum Beispiel durch<br />

eine Betauung – zwischen die Faserendflächen dringt.<br />

Die Moden können dann unterbrochen werden. Oder<br />

der Strahlengang wird durch einen ungeeigneten Brechungsindex<br />

so abgelenkt, dass die Moden wieder in<br />

die erste Faser zurückgeleitet werden.<br />

Hersteller von Steckverbindungen <strong>für</strong> Lichtwellenleiter<br />

und konfektionierten Leitungen sind bemüht,<br />

30<br />

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

11 / 2014


LWL-Steckverbinder im Test:<br />

Ob sie zuverlässig arbeiten, hängt von ihrer Ausführung<br />

sowie von Umwelteinflüssen ab.<br />

Die Moden im LichtweLLenleiter<br />

werden durch ungeeignete Brechungsindizes,<br />

Fremdkörper und Feuchtigkeit beeinträchtigt –<br />

falsche Einsatzbedingungen können die<br />

Übertragung stören. Bilder: Phoenix Contact<br />

ihre Produkte so präzise und sauber zu gestalten, damit<br />

die oben genannten Effekte nicht auftreten. Auch die<br />

Monteure vor Ort sind geschult, um eine Installation<br />

fachgerecht auszuführen. Mit einer Abnahmemessung<br />

nach der Installation werden üblicherweise die Qualität<br />

der Produkte und deren Installation nachgewiesen.<br />

Geht eine Anlage in Betrieb, wird sie den realen<br />

Umweltbedingungen ausgesetzt. Die bei den Abnah-<br />

me-Messungen noch nicht herrschenden realen Umweltbedingungen<br />

können die Qualität der Datenübertragung<br />

erheblich beeinträchtigen, indem sie bei den<br />

Steckverbindungen an den Faserendflächen die erläuterten<br />

Effekte verursachen. So können mechanische<br />

Belastungen wie Schock und Vibration <strong>für</strong> einen temporär<br />

erhöhten axialen und radialen Versatz der Faserendflächen<br />

verantwortlich sein. Feuchte Wärme und<br />

Das SC-System.<br />

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PRAXIS<br />

IEC 61753-1 KLASSIFIZIERT STECKVERBINDER<br />

Industrieanforderungen in die Norm aufgenommen<br />

LWL-Steckverbinder müssen im<br />

rauen Industrieumfeld ganz anderen<br />

Umgebungsbedingungen trotzen als<br />

etwa im Büro. Entsprechend<br />

unterschiedlich müssen die<br />

Komponenten auf ihre Zuverlässigkeit<br />

geprüft werden. Daher wurde<br />

ein System mit Klassen <strong>für</strong> unterschiedliche<br />

Einsatzbedingungen und<br />

Robustheitsanforderungen geschaffen,<br />

das in der Norm IEC 61753-1<br />

beschrieben wird. So kann der<br />

Anwender sich unter Kenntnis der<br />

Kategorie-Definitionen die <strong>für</strong> seine<br />

Applikation geeigneten Komponenten<br />

auswählen.<br />

Steckverbinder <strong>für</strong> den Außenbereich<br />

oder raue Umgebungen waren<br />

bislang nur innerhalb eines<br />

Gehäuses vorgesehen. Im Rahmen<br />

der Norm IEC 61753-1-3 ist nun der<br />

Industriebereich neu aufgenommen<br />

worden mit der Kategorie I. Hier sind<br />

die Anforderungen an Komponenten<br />

so definiert, dass sie außerhalb<br />

eines Gehäuses eingesetzt werden<br />

können.<br />

Temperaturwechsel ermöglichen genauso wie die direkte<br />

Applizierung von Flüssigkeit einen Feuchtigkeitsfilm<br />

zwischen den Faserendflächen. Die Dämpfung<br />

der optischen Übertragungsstrecke wird dadurch<br />

erhöht – im Extremfall wird die Datenübertragung<br />

unterbrochen.<br />

Darüber hinaus können aggressive Stoffe, Gase und<br />

UV-Bestrahlungen das Gehäusematerial beschädigen.<br />

Dadurch wird wiederum die mechanische Stabilität<br />

gefährdet und Eindringen von Flüssigkeiten und<br />

Fremdkörpern erleichtert.<br />

TYPPRÜFUNG SIMULIERT UMWELTBELASTUNGEN<br />

Die konstruktive Gestaltung von LWL-Steckverbindern<br />

<strong>für</strong> den Industrie- und Außeneinsatz hat entscheidende<br />

Auswirkung auf die Eignung dieser Komponenten.<br />

Je nach Art und Umfang der zu erwartenden<br />

Belastungen werden die Produkte <strong>für</strong> eine bestimmte<br />

Umweltkategorie klassifiziert. So sind Produkte der<br />

Kategorie C <strong>für</strong> den Einsatz in Büros und ähnlichen<br />

Umgebungen vorgesehen, während Produkte der Kategorie<br />

I <strong>für</strong> den Einsatz im rauen Industrieumfeld<br />

geeignet sind.<br />

Eine darauf abgestimmte Typprüfung simuliert die<br />

zu erwartende Umweltbelastung der Komponenten <strong>für</strong><br />

die jeweilige Kategorie. Hierzu werden an den Komponenten<br />

praxistypische Tests durchgeführt: Schock und<br />

Vibrationen, Kräfte auf den Steckverbinder, Bewegung<br />

der angeschlossenen Leitung, Temperatur- und Feuchtigkeitswechsel<br />

sowie Beaufschlagung mit Flüssigkeiten<br />

und Gasen. Hierbei dürfen sich die optischen<br />

Übertragungseigenschaften mit den Parametern Dämpfung<br />

und Rückflussdämpfung nicht so weit verschlechtern,<br />

dass die Datenübertragung gefährdet wird.<br />

Bei der Planung einer Datenübertragung mittels<br />

Lichtwellenleitern kommt es also darauf an, die zu erwartenden<br />

Umweltbedingungen zu kennen und hier<strong>für</strong><br />

geeignete Komponenten auszuwählen. Nur dann kann<br />

die Übertragungsstrecke auch im realen Betrieb nach<br />

der Abnahmeprüfung sicher und zuverlässig ihre<br />

Funktion erfüllen.<br />

Lichtwellenleiter zur Datenübertragung haben sich<br />

ihren Platz in der industriellen Automatisierungstechnik<br />

und im Außeneinsatz erfolgreich erobert. Mit den<br />

richtigen Umweltkategorien erhält der Anwender die<br />

Sicherheit <strong>für</strong> seine Applikation. LWL-Steckverbinder<br />

von Phoenix Contact werden seit Jahren in diesen Bereichen<br />

eingesetzt – sie ermöglichen eine auf lange Zeit<br />

zuverlässige Datenübertragung.<br />

AUTOR<br />

Dipl.-Wirt.-Ing.<br />

BERND HORRMEYER<br />

ist Fachreferent <strong>für</strong><br />

Standardisierung bei<br />

Phoenix Contact.<br />

Phoenix Contact GmbH & Co. KG,<br />

Flachsmarktstraße 8, D-32825 Blomberg,<br />

Tel. +49 (0) 5235 300,<br />

E-Mail: bhorrmeyer@phoenixcontact.com<br />

32<br />

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

11 / 2014


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

Diese Erklärung kann ich mit Wirkung <strong>für</strong> die Zukunft jederzeit widerrufen.


HAUPTBEITRAG<br />

<strong>Dezentrale</strong> <strong>Intelligenz</strong><br />

<strong>für</strong> <strong>modulare</strong> <strong>Automation</strong><br />

Lösungsansätze <strong>für</strong> die Realisierung <strong>modulare</strong>r Anlagen<br />

Grundgedanke einer <strong>modulare</strong>n Anlagenarchitektur ist es, den Aufwand zur Integration<br />

eines Moduls in die Gesamtanlage zu minimieren. Dies lässt sich erreichen,<br />

indem Aufwände in das Engineering des Modullieferanten verlagert werden. Das<br />

Engineering der Gesamtanlage besteht dann aus zwei voneinander getrennten Engineeringprozessen:<br />

Der Modullieferant projektiert das Modul, der Anlagenbetreiber<br />

nutzt Module im Integrations-Engineering. Dieser Beitrag stellt eine Architektur <strong>für</strong><br />

die einfache Integration eines Moduls und eine Informationsmodellierung zur Übertragung<br />

der zur Integration notwendigen Ergebnisse des Modulengineerings vor.<br />

Diese werden in einem Informationsträger gespeichert.<br />

SCHLAGWÖRTER Modularisierung / dezentrale <strong>Intelligenz</strong> / Engineering /<br />

Prozessautomatisierung<br />

Distributed Intelligence for Modular <strong>Automation</strong> –<br />

Approaches to Integrating Modules<br />

The basic idea of modular plant architecture is the reduction of the effort for the integration<br />

of a module into the overall plant. This can be achieved by splitting the<br />

engineering of the entire system into two separate processes. The module suppliers<br />

build the modules, which; the plant operator then uses in the integration engineering.<br />

This paper presents an architecture for the easy integration of a module, as well as<br />

information modelling to transfer the necessary results for the integration of the module<br />

engineering. These are stored in a suitable information carrier.<br />

KEYWORDS modularization / distributed intelligence / engineering /<br />

process automation<br />

34<br />

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

11 / 2014


THOMAS HOLM, Helmut-Schmidt-Universität Hamburg<br />

MICHAEL OBST, Technische Universität Dresden<br />

ALEXANDER FAY, Helmut-Schmidt-Universität Hamburg<br />

LEON URBAS, Technische Universität Dresden<br />

THOMAS ALBERS, SVEN KREFT, ULRICH HEMPEN, Wago Kontakttechnik<br />

Die Absatzmärkte der Prozessindustrie – insbesondere<br />

Chemie, Pharmazie, Nahrungsmittelherstellung<br />

– sind zunehmend volatil: Die<br />

nachgefragten Mengen sind schwerer prognostizierbar<br />

und schwanken regional abhängig<br />

in immer kurzfristigeren Zeitabständen. Die<br />

Produktlebenszyklen werden durch die globale Verfügbarkeit<br />

von Alternativen immer kürzer. Um am Markt<br />

erfolgreich zu sein, müssen Produktinnovationen<br />

schnell Marktreife erreichen, sobald alle Zulassungshürden<br />

überwunden sind. Wird das Produkt vom Markt<br />

angenommen, ist die Zeit bis zum Erreichen der geforderten<br />

Produktqualität und -menge wesentlich <strong>für</strong> die<br />

Wirtschaftlichkeit. Spätestens gegen Ende des Produktlebenszyklus<br />

sollte die Produktion nahe an den<br />

größten verbliebenen Absatzmärkten stattfinden, das<br />

heißt, entsprechend verlagert werden können. Die klassischen<br />

Produktionsverfahren der Prozessindustrie<br />

erfüllen diese Anforderungen nur unzureichend: Konti-Anlagen<br />

sind <strong>für</strong> eine bestimmte Produktionsmenge<br />

pro Zeiteinheit optimiert, die möglichst über Jahre<br />

nicht verändert werden sollte. Die höhere Flexibilität<br />

konventioneller Batch-Anlagen geht mit unproduktiven<br />

Zeiten, zum Beispiel während des Umrüstens einher.<br />

Die Situation in der Fertigungsindustrie zeigt Analogien:<br />

Die Chargenproduktion entspricht der Werkstattfertigung,<br />

bei der an einem Arbeitsplatz zahlreiche<br />

Produktionsschritte nacheinander durchgeführt<br />

und Produktionsmittel nur suboptimal genutzt<br />

werden. Die Konti-Anlage entspricht der Produktion<br />

am Fließband. Damit konnte ein großer Produktivitätsfortschritt<br />

erreicht werden, aber um den Preis, dass<br />

die Anlage <strong>für</strong> einen bestimmten Arbeitspunkt ausgelegt<br />

und daher unflexibel ist hinsichtlich wechselnder<br />

Produktionsmengen.<br />

Wie in der Fertigungsindustrie wird in der Prozessindustrie<br />

nach Anlagenkonzepten gesucht, die die Vorteile<br />

beider Verfahren kombinieren. Besonders vielversprechend<br />

erscheint in dieser Hinsicht die Modularisierung<br />

von verfahrenstechnischen Anlagen, bei der Anlagen<br />

durch die Kombination von Modulen flexibel aufgebaut<br />

werden. Einzelne Module realisieren jeweils standardisierte<br />

Produktionsschritte und lassen sich entsprechend<br />

des herzustellenden Produkts kombinieren. Änderungen<br />

des Produkts werden durch den Tausch von Modulen<br />

umgesetzt, die Produktionsmenge kann durch Hinzufügen<br />

gleichartiger Module erhöht werden [1].<br />

1. VORTEILE UND HERAUSFORDERUNGEN<br />

DER MODULARISIERUNG<br />

Ein wesentlicher Vorteil eines <strong>modulare</strong>n Anlagenkonzepts<br />

liegt in der Verkürzung der Zeit <strong>für</strong> Konzeption,<br />

Planung, Aufbau und Inbetriebnahme der Anlage<br />

und der flexiblen und späten Anpassbarkeit von<br />

Kostenstrukturen an sich verändernde Marktbedingungen<br />

[1, 2]. Der Vergleich gegenüber einer konventionellen<br />

Anlage zeigt zwar zunächst höhere Investitionskosten,<br />

die Produktion kann bei einer <strong>modulare</strong>n<br />

Anlage jedoch deutlich früher beginnen. Dies führt<br />

früher zu Erträgen, wodurch sich die Investition<br />

schneller amortisiert und die Gesamtkosten unter Umständen<br />

sogar geringer ausfallen. Dieser Zeitgewinn,<br />

verbunden mit den weiteren Vorteilen einer <strong>modulare</strong>n<br />

Anlage, wie beispielsweise Skalierbarkeit, ist<br />

nur zu erreichen, wenn:<br />

die Module in ihrer verfahrenstechnischen Funktion<br />

mindestens die geforderten Vorgaben der Anlage<br />

erfüllen,<br />

die Modulhersteller notwendige Anpassungen an<br />

sicherheits-, produkt-, und umweltspezifische Besonderheiten<br />

ihrer Kunden durch automatisierte<br />

Engineering-Workflows, Baureihenkonzepte und<br />

Variantenmanagement effizient bedienen können,<br />

die Kombination einer Anlage aus Modulen, beziehungsweise<br />

die Integration eines Moduls in eine<br />

bestehende Anlage durch geeignete Beschreibungsmittel,<br />

Methoden und Werkzeuge, wesentlich<br />

schneller erfolgen kann, als bei Planung und Bau<br />

einer konventionellen Anlage<br />

und schließlich die Modulhersteller aufgrund der<br />

größeren Verantwortung <strong>für</strong> den verfahrenstech-<br />

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

11 / 2014<br />

35


HAUPTBEITRAG<br />

nischen Prozess ihre Module als hybride Leistungsbündel,<br />

also als eine Kombination von Sach- und<br />

Dienstleistung über den gesamten Lebenszyklus,<br />

anbieten können [3, 4].<br />

Neben der räumlichen, mechanischen und elektrotechnischen<br />

Integration ist da<strong>für</strong> insbesondere eine Integration<br />

der Leittechnik erforderlich [4], die die vertikale<br />

Kommunikation zwischen Modul und übergeordneten<br />

Informationssystemen und die horizontale Kommunikation<br />

zwischen den Modulen ermöglicht [5].<br />

Für den vertikalen Zugriff eines übergeordneten Leitsystems<br />

auf die Module definiert die Namur-Empfehlung<br />

NE 148 [6] drei Varianten: Variante 1 bezieht sich<br />

auf Module, die keine differenzierten Funktionsschritte<br />

benötigen. Sie erfordern daher nur eine Funktionsauslösung,<br />

verbunden mit der zugehörigen Parametrierung.<br />

Komplexere Module mit einzelnen Funktionsschritten,<br />

Variante 2 und 3, brauchen <strong>für</strong> eine optimale<br />

Einbindung den Zugriff auf die einzelnen Funktionen<br />

innerhalb der Module.<br />

Weiterhin müssen technologische und organisatorische<br />

Voraussetzungen geschaffen werden, damit die<br />

Engineeringabläufe so umgestaltet werden können,<br />

dass der Engineeringaufwand während der Integration<br />

eines Moduls in eine Anlage minimiert wird. Das<br />

bedeutet, dass ein Großteil des Engineerings durch<br />

den Lieferanten des Moduls bereits vorweggenommen<br />

wird und das Modul sich an den Schnittstellen <strong>für</strong><br />

die Integration geeignet informationstechnisch repräsentiert,<br />

sowohl offline beim Engineering als auch<br />

online im Betrieb.<br />

Die Integration in das Engineering bedingt eine digitale<br />

Beschreibung des Moduls, basierend auf einer Standardmethodik.<br />

Diese kann und sollte sich an bestehende<br />

Technologien anlehnen, muss jedoch die Besonderheiten<br />

verfahrenstechnischer Module berücksichtigen.<br />

[6] definiert die zu beschreibenden notwendigen Eigenschaften<br />

eines Moduls wie folgt<br />

Verfahrenstechnische Funktionen<br />

Automatisierungstechnische Verriegelungen<br />

Bedienbilder (HMI)<br />

Diagnosedaten<br />

Alarmierungsfunktionen<br />

Prozesswerte<br />

Asset-Management-Parameter<br />

Information zur Generierung eines Betriebsdatenerfassung-Systems<br />

(BDE)<br />

Soll das Modul in ein System integriert werden, bedarf<br />

es einer digitalen Modellierung dieser Eigenschaften.<br />

Das Format der Modulbeschreibung sollte, wie die<br />

Kommunikationsprotokolle, offen verwendbar und keine<br />

proprietäre Lösung sein. Nur so lässt sich sicherstellen,<br />

dass die Information effizient im Integrationsengineering<br />

verwendet werden kann.<br />

2. KONZEPT<br />

Eine zentrale Herausforderung der Modularisierung ist,<br />

das Engineering, das heißt Planung und Aufbau beziehungsweise<br />

Umbau <strong>modulare</strong>r verfahrenstechnischer<br />

Produktionsanlagen, möglichst schnell und kostengünstig<br />

zu realisieren. Diese Aktivitäten stellen erhebliche<br />

Anforderungen, speziell an das Automatisierungssystem<br />

einer <strong>modulare</strong>n Anlage. Für etablierte Prozessleitsysteme<br />

lässt sich feststellen, dass diese <strong>für</strong> ein verteiltes<br />

Engineering und den flexiblen Betrieb <strong>modulare</strong>r<br />

Anlagen nicht gut vorbereitet sind [7].<br />

Um die fehlenden Fähigkeiten zu benennen und<br />

Lücken aufzeigen zu können, müssen die zu erfüllenden<br />

Aufgaben im Kontext des Engineerings <strong>modulare</strong>r<br />

Anlagen betrachtet werden. In dem F&E-Projekt<br />

<strong>Dezentrale</strong> <strong>Intelligenz</strong> <strong>für</strong> Modulare Anlagen (Dima)<br />

der Firma Wago mit der Technischen Universität<br />

Dresden und der Helmut-Schmidt-Universität Hamburg<br />

wurde eine Methodik <strong>für</strong> das Engineering des<br />

Automatisierungssystems <strong>modulare</strong>r verfahrenstechnischer<br />

Produktionsanlagen erarbeitet. Diese wurde<br />

prototypisch in das Wago-Engineering-Werkzeug<br />

e!Cockpit implementiert.<br />

Grundgedanke einer <strong>modulare</strong>n Anlagenarchitektur<br />

ist es, den Aufwand zu minimieren, der während der<br />

Integration eines Moduls in die Anlage anfällt. Dies<br />

kann durch Verlagerung geeigneter aufwanderzeugender<br />

Aktivitäten, zum Beispiel Auswahl und Auslegungsentscheidung,<br />

in das Engineering des Modulherstellers<br />

erreicht werden. Werden Aktivitäten aus<br />

dem Anlagenengineering in das Modulengineering<br />

verlegt, zerlegt sich der ursprüngliche Engineeringprozess<br />

in zwei voneinander getrennte Engineeringprozesse:<br />

einen in Verantwortung des Modulherstellers<br />

und einen in Verantwortung des Anlagenbetreibers.<br />

Es ist des Weiteren anzunehmen, dass die Höhe<br />

der verlagerungsfähigen Engineeringaufwände mit<br />

zunehmender <strong>Intelligenz</strong> des Moduls zunimmt. <strong>Intelligenz</strong><br />

wird im Beitrag, in Anlehnung an [8] als die<br />

Fähigkeit eines Moduls definiert, seinen inneren Zustand<br />

zu erkennen und in Grenzen zu beherrschen<br />

und damit seine Integrität zu schützen, sowie die Fähigkeit,<br />

seinen Zustand nach außen zu kommunizieren,<br />

soweit gewünscht und erforderlich <strong>für</strong> einen Betrieb<br />

im Verbund mit anderen. Dies gilt insbesondere<br />

als Abgrenzungsmerkmal zu Modulen, die mit einem<br />

nichtprogrammierbaren Automatisierungssystem<br />

(zum Beispiel Remote I/O) ausgestattet sind. Denkbar<br />

sind darüber hinaus Ansätze, bei denen Module über<br />

eine eigene Beschreibung verfügen und so die Integration<br />

unterstützen können [9]. Der Schwerpunkt liegt<br />

hier weniger in der Übertragung der Daten als in der<br />

geeigneten Modellierung der Information. Ein Modul<br />

ist somit, ähnlich der bereits formulierten Modulvariante<br />

2 beziehungsweise 3 der NE 148 [6], mit dezentraler<br />

<strong>Intelligenz</strong> ausgestattet.<br />

36<br />

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

11 / 2014


In Analogie zur physikalischen Modularisierung [10]<br />

entspricht die funktionsgerichtete Modularisierung<br />

einem dienstbasierten Ansatz. Dabei stellt ein Modul<br />

seine verfahrenstechnische Funktion als Dienstleistung<br />

einem übergeordneten Prozessleitsystem zur Verfügung.<br />

Der vom Modul angebotene Dienst kann nach<br />

Integration vom Prozessleitsystem abgerufen werden.<br />

Dazu muss ein Modul folgende Grundfunktionalitäten<br />

des Prozessleitsystems unterstützen:<br />

Bedienen und Beobachten (BuB)<br />

Melden und Protokolieren<br />

Steuern und Überwachen<br />

Zur Erfüllung dieser Funktionalität müssen während<br />

des Integrationsengineerings folgende Aspekte und<br />

Aufgaben realisiert werden:<br />

Netzwerkengineering – mit dem Ziel der<br />

Abbildung des physikalischen Kommunikationssystems<br />

und Ermöglichen der Parametrierung<br />

Realisierung von Teilen der Koordinierungs- und<br />

Prozedursteuerung zum zeitgerechten Abrufen und<br />

Überwachen (Orchestrierung) der Moduldienste<br />

HMI-Engineering zur Realisierung der Bedienund<br />

Beobachten-Funktionalität<br />

Wie bereits erläutert, sind die Engineeringprozesse von<br />

Modulhersteller und Anwender voneinander entkoppelt,<br />

siehe Bild 1.<br />

Unabhängig vom Engineering der Gesamtanlage<br />

führt der Hersteller des Moduls das Modulengineering<br />

durch. Dies umfasst unter anderem das Erstellen und<br />

Laden des lauffähigen Softwarecodes der Modulsteuerung.<br />

Zur Übertragung der zur Integration notwendigen<br />

Ergebnisse des Modulengineerings werden diese in<br />

einem Informationsträger gespeichert und dieser veröffentlicht.<br />

Die benötigte Information wird so während<br />

des Integrationsengineerings abrufbar und verwendbar.<br />

Struktur und Inhalt dieses Informationsträgers<br />

werden vertiefend in Abschnitt 3 betrachtet.<br />

Durch Kombination mehrerer Module in einer Anlage<br />

entsteht die Notwendigkeit, die Dienste der angeschlossenen<br />

Module in eine <strong>für</strong> die Produktion des<br />

gewünschten Produktes erforderliche geordnete Folge<br />

zu bringen. So muss zum Beispiel bei einem kontinuierlich<br />

betriebenen Reaktionsprozess das Anfahren des<br />

Reaktors mit dem Vorlegen der Ausgangsprodukte abgestimmt<br />

werden. Da diese zusätzliche Orchestrierungsfunktion<br />

erst durch Kombination verschiedener<br />

Module notwendig wird, muss dies von einer noch<br />

während des Integrationsengineerings zugänglichen<br />

Automatisierungsinstanz, zum Beispiel dem überge-<br />

BILD 1: Engineeringprozess<br />

einer <strong>modulare</strong>n Anlage mit<br />

dezentraler <strong>Intelligenz</strong><br />

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

11 / 2014<br />

37


HAUPTBEITRAG<br />

ordneten Leitsystem, übernommen werden. Um die<br />

Dienste modulübergreifend orchestrieren zu können,<br />

ist die Kenntnis der aktuellen Zustände der Module,<br />

beispielsweise startend, laufend, gestoppt, notwendig.<br />

Diese Information wird durch die dezentrale <strong>Intelligenz</strong><br />

eines jeden Moduls ermittelt und über eine Kommunikationsschnittstelle<br />

zugänglich gemacht. Die<br />

Definition der Zustände muss hersteller- und modulunabhängig<br />

und somit einheitlich über alle Module<br />

hinweg geschehen. Bild 2 zeigt eine Definition von<br />

Zuständen und legt die Bedingungen der möglichen<br />

Zustandsübergänge fest.<br />

Die Orchestrierung der Dienste entspricht einer Prozedursteuerung<br />

gemäß DIN EN 61512. Diese bestimmt,<br />

dass „Aktionen in einer geordneten Folge stattfinden,<br />

damit eine prozessorientierte Aufgabe durchgeführt<br />

wird“ [11]. Um die Orchestrierungsfunktionalitäten zu<br />

realisieren, bringen heutige Batch-Werkzeuge mit der<br />

Umsetzung der DIN EN 61512-Definitionen alle erforderlichen<br />

Voraussetzungen mit, unabhängig davon, ob<br />

der zu steuernde Produktionsprozess kontinuierlicher<br />

oder diskreter Natur ist [12, 13].<br />

Unabhängig vom Charakteristikum des Prozesses<br />

werden in <strong>modulare</strong>n Anlagen modulübergreifende<br />

Verriegelungen und Regelungen benötigt. Diese stellen<br />

hohe Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit. Da die<br />

Steuerungen der Module vom Modulhersteller programmiert,<br />

die Regelungs- und Verriegelungsbedingungen<br />

aber erst während der Auswahl und Integration<br />

der Module spezifiziert werden, wird eine weitere<br />

Steuerung benötigt. Durch die herausgehobene Aufgabe<br />

dieser Steuerung wird sie, in Anlehnung an die<br />

Fertigungsautomatisierung, Kopfsteuerung genannt.<br />

Das Programm dieser Steuerung überwacht die modulübergreifenden<br />

Verriegelungen, koordiniert die<br />

Datenweiterleitung <strong>für</strong> modulübergreifende Regelungen<br />

und stellt darüber hinaus das anlagenweite<br />

Notauskonzept sicher.<br />

Der Erfordernis nach einer Bedien- und Beobachtbarkeit<br />

des über mehrere Module verteilten Prozesses wird<br />

mit der Nutzung eines Scada-Systems (als Teil eines<br />

PLS oder als Stand-alone-System) entsprochen. Die zentrale<br />

Herausforderung ist die Realisierung des nach [6]<br />

formulierten einheitlichen Look-and-feel einer <strong>modulare</strong>n<br />

Anlage.<br />

Das Bedienbild eines Moduls wird durch den Modulhersteller<br />

angefertigt. Dieser kennt die in industriellen<br />

Anlagenprojekten meist projektspezifisch verwendete<br />

Bedienbildbibliothek des übergeordneten<br />

Systems zu diesem Zeitpunkt jedoch noch nicht. Die<br />

Generierung des modulspezifischen Bedienbildes im<br />

Leitsystem der Gesamtanlage kann somit erst während<br />

des Gesamtanlagenengineerings erfolgen, da zu diesem<br />

Zeitpunkt die Bedienbildbibliothek einheitlich festgelegt<br />

wird. Zur Umsetzung der modulspezifischen Bedienbilder<br />

in solche mit projekteinheitlichen Bedienbildelementen<br />

müssen die Bedienbilder in einer darstellungsunabhängigen<br />

Beschreibungsform vorliegen.<br />

Die Layout- und die Rolleninformation sind dann<br />

durch einen Algorithmus zugänglich, der die projektabhängigen<br />

Bedienbildelemente in gewünschter Darstellung<br />

und Lage auf das Bedienbild setzt und mit den<br />

Daten der Module verknüpft [14].<br />

Für die datentechnische Verknüpfung eines<br />

Bedien bildelements mit den Variablen des Softwarecodes<br />

der Modulsteuerung muss ebenfalls ein zuvor<br />

abgestimmter Informationsraum vorliegen. Dazu arbeitet<br />

der Namur-AK 1.12 aktuell an einer Bibliothek<br />

mit dem Ziel, die darzustellende Information hinter<br />

einem Bedienbildelement durch eine harmonisierte<br />

eindeutige Merkmalskennung zu annotieren, um in<br />

allen beteiligten Automatisierungssystemen den gleichen<br />

Inhalt abzubilden.<br />

Die Information, die im Modulengineering erarbeitet<br />

und während des Gesamtanlagenengineerings benötigt<br />

wird, wird in einem instanzspezifischen Informationsträger<br />

abgelegt. Mit Hilfe dieses Informationsträgers<br />

lässt sich dann das Zielsystem entsprechend konfigurieren,<br />

siehe Bild 3. Da während des Modulengineerings<br />

noch keine Kenntnis über das übergeordnete<br />

Prozessleitsystem der Gesamtanlage besteht, muss während<br />

des Gesamtanlagenengineerings eine Übersetzung<br />

in das zielsystemspezifische Datenformat erfolgen. Dies<br />

übernehmen Schnittstellen, die im Beispiel im Wago-<br />

Engineeringwerkzeug e!Cockpit hinterlegt sind.<br />

3. MTP ALS BESCHREIBUNG VON MODULEN<br />

Die in heutigen Anlagen eingesetzten Geräte und Apparaturen<br />

werden zunehmend komplexer [15]. Das<br />

Funktionsspektrum der Geräte kann zum Teil nachträglich<br />

durch zusätzliche Bedienelemente verändert<br />

und die dazu notwendigen Parameter übermittelt werden<br />

[15]. Die Information, die <strong>für</strong> die Konfiguration der<br />

Geräte und die im Produktionsbetrieb erforderliche<br />

Echtzeitkommunikation notwendig ist, wird mit Gerätebeschreibungsdateien<br />

realisiert. Eine Gerätebeschreibung<br />

ist eine „[...] im Kontext eines Leitsystems<br />

gehaltene Integrationskomponente, die das Verhalten<br />

eines Feldgerätetyps in Betrieb und Konfiguration beschreibt<br />

und somit das Feldgerät repräsentiert“ [16].<br />

Die Spanne reicht von textbasierten Beschreibungen<br />

(GSD, DD, EDD) bis hin zu softwarebasierten Artefakten<br />

wie FDT/DTM und Mischformen (zum Beispiel<br />

FDI Device Package).<br />

Ein Modul besteht aus mehreren Geräten. Im Unterschied<br />

zu nicht-<strong>modulare</strong>n Anlagen ist es hier nicht<br />

notwendig, die Geräte in ein Prozessleitsystem zu integrieren.<br />

Bei <strong>modulare</strong>n Anlagen kann, durch Einsatz<br />

von dezentraler <strong>Intelligenz</strong>, die wunschgemäße Integration<br />

der Geräte, einschließlich der gesamten Konfiguration<br />

und Parametrierung, auf Ebene des Moduls<br />

geschehen, vergleiche Abschnitt 2. Die Modulsteue-<br />

38<br />

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

11 / 2014


BILD 2: Zustände<br />

und Zustandsübergangsmodell<br />

gemäß<br />

DIN EN 61512-1<br />

BILD 3: Dima-Architektur mit Konfigurations- (offline)<br />

und Produktionskommunikation (online)<br />

rung wird damit befähigt, mit den Geräten direkt zu<br />

kommunizieren.<br />

Durch die Kombination mehrerer Geräte im Modul<br />

entstehen zusätzliche Funktionen (Emergenz). So kann<br />

durch Kombination eines Behälters mit Einlass- und<br />

Auslassventilen und einer Rühreinrichtung die Funktion<br />

Vermischen realisiert werden. Diese muss, um eine<br />

wunschgemäße Ausführung zu sichern, parametriert<br />

werden, und die Ausführung der Funktion muss überwacht<br />

werden. Dies übernimmt das übergeordnete Prozessleitsystem<br />

der Anlage. Dazu muss, in Analogie zur<br />

Geräteintegration, das Fähigkeitsprofil des Moduls in<br />

das Prozessleitsystem integriert werden. Dies umfasst<br />

zum einen die Beschreibung des Bearbeitungsverfahrens,<br />

wie zum Beispiel Temperieren oder Vermischen<br />

und zusätzliche Attribute, die zur genaueren Spezifizierung<br />

und damit zur wunschgemäßen Ausführung<br />

dienen. Zum anderen enthält die Beschreibung einen<br />

Zugang zum Zustandsmodell, das zur Überwachung<br />

des Moduls dient und eine Möglichkeit zur Einflussnahme<br />

eines Bedieners der Anlage beinhaltet. Letzteres<br />

wird mit Hilfe von HMI-Funktionalitäten umgesetzt.<br />

Was unterscheidet nun Beschreibungsmodelle komplexer<br />

Feldgeräte vom Beschreibungsmodell eines Moduls?<br />

Untersuchungen zeigen, dass die zu übermittelnden<br />

Informationsinhalte ähnlich sind [17]. Auch der<br />

Zeitpunkt im Lebenszyklus einer <strong>modulare</strong>n Anlage,<br />

zu dem die Beschreibungsmodelle genutzt werden, ist<br />

identisch. In Anlehnung an [16] und [6] entsprechen sie<br />

folgenden Phasen:<br />

Engineering<br />

Inbetriebnahme<br />

Anlagenerweiterung/Numbering-up durch<br />

baugleiche Module<br />

Gerätetausch/Modultausch<br />

Fehlerbehebung<br />

Funktionserweiterung zusätzliches Modul<br />

Vorausschauende Wartung<br />

Wie in Abschnitt 2 ausgeführt, wird im Projekt Dima die<br />

Überwachungs- und Parametrierfunktionalität als Teil<br />

der Prozedur- und Koordinierungssteuerung durch ein<br />

Batch-System und die Bedien- und Beobachtungsfunktionalität<br />

durch ein Scada-System verrichtet. In diese Systeme<br />

müssen die Funktionsbeschreibungen der Module<br />

integriert werden. Die zur Integration erforderliche Information<br />

liegt außerhalb des Anwendungsbereichs von<br />

Gerätebeschreibungsdateien [17]. Aus diesem Grund ist<br />

es nötig, bestehende Geräteintegrationskonzepte um diese<br />

Anteile zu erweitern. Das Ergebnis dieser Erweiterung<br />

wird Module Type Package (MTP) genannt. In diesem<br />

Modulbeschreibungsmodell wird die notwendige Information<br />

zur anwenderunabhängigen Integration in ein<br />

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

11 / 2014<br />

39


HAUPTBEITRAG<br />

Scada- und Batch-System abgelegt. Dies umfasst bei Nutzung<br />

der OPC-Technologie folgende Information:<br />

Generische und zielsystemunabhängige Beschreibung<br />

des Modulbedienbildes<br />

Bedienbildelemente mit vereinheitlichter Schnittstelle<br />

und Beschreibung des darzustellenden Informationsumfangs<br />

OPC-Tag-Bezeichnungen der Bedienbildelemente<br />

Veröffentlichte Dienste mit vereinheitlichter<br />

Schnittstelle gemäß Zustandsmodell der<br />

DIN EN 61512<br />

OPC-Server-Bezeichnungen und OPC-Tag-Bezeichnungen<br />

der Dienstparameter<br />

Bei der Realisierung eines solchen Informationsträgers<br />

bestehen mehrere Randbedingungen. Zum einen gibt<br />

es technische Anforderungen. Hier gilt es vor allem,<br />

die bereits formulierten Integrationsbereiche geschickt<br />

zu modellieren [17, 18]. Neben der formalen Beschreibung<br />

des Informationsträgers liegt ein weiterer Schwerpunkt<br />

auf der Integrationstechnik, mit der Information<br />

in das Prozessleitsystem eingebracht werden kann. Eine<br />

Schnittstelle, die das Einlesen eines Informationsträgers<br />

in jedes Prozessleitsystem ermöglicht, ist derzeit<br />

nicht vorhanden. Die Standardisierung einer solchen<br />

ist mit großem Aufwand und langen Entwicklungszeiten<br />

verbunden. Der im Beitrag gewählte Ansatz ermöglicht<br />

aus diesem Grund die flexible Anpassung der<br />

Schnittstelle an das ausgewählte Prozessleitsystem,<br />

beziehungsweise dessen gewünschte Funktionalität.<br />

Der dabei entstehende Anpassungsaufwand liegt hierbei<br />

beim jeweiligen Integrationswerkzeug (e!Cockpit).<br />

Den Autoren ist bewusst, dass der Aufbau des MTP<br />

zum jetzigen Zeitpunkt proprietär ist. Er gilt als erster<br />

Vorstoß und stellt eine Basis <strong>für</strong> zukünftige Standardisierungsbemühungen<br />

dar.<br />

4. PROTOTYPISCHE IMPLEMENTIERUNG<br />

Der vorgestellte Ansatz basiert auf zwei voneinander<br />

losgelösten Engineeringprozessen: Der Modullieferant<br />

projektiert und veröffentlicht einzelne Module, der Anlagenbetreiber<br />

nutzt die jeweiligen Modulbeschreibungen<br />

im Integrationsengineering und projektiert die<br />

Gesamtanlage. Beide Engineeringprozesse und der Datenaustausch<br />

zwischen ihnen wurden im Rahmen des<br />

Projektes Dima prototypisch in das e!Cockpit integriert.<br />

Die Integration erfolgte beispielhaft am Scada-System<br />

WinCC von Siemens und Batch-System Proficy-Batch<br />

von General Electric.<br />

BILD 4:<br />

Wesentliche<br />

Phasen des Modulengineerings<br />

(1-3)<br />

und das Kapseln<br />

der Information<br />

in einem MTP (4).<br />

40<br />

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

11 / 2014


Das Modulengineering gliedert sich dabei im Wesentlichen<br />

in vier Phasen, siehe Bild 4:<br />

1 | Konfiguration und Parametrierung der <strong>Automation</strong>:<br />

Hier profitiert das Engineering von Daten<br />

vorgelagerter Softwarewerkzeuge. So können<br />

beispielsweise Stationsaufbauten, Anschlussidentifikationen,<br />

Adresszuordnungen sowie Variablenbezeichnungen,<br />

wie Temperatur, aus Planungswerkzeugen,<br />

zum Beispiel Eplan, übernommen<br />

werden. Das Bild zeigt einen konfigurierten<br />

Knoten.<br />

2 | Applikationsentwicklung: Auf Basis der importierten<br />

Daten werden automatisch eine Programmhierarchie<br />

und Variablenlisten erzeugt. Diese verwendet<br />

der Benutzer zur Programmierung einzelner<br />

Funktionen und Dienste des Moduls.<br />

3 | Bedienoberflächen erstellen: Ergänzend zu den<br />

Programmen werden Oberflächen zum Bedienen<br />

& Beobachten erarbeitet.<br />

4 | Modulkonfiguration: Nach Fertigstellung des<br />

Modul-Engineerings wird ein MTP generiert.<br />

Dazu beschreibt der Benutzer die Metadaten, wie<br />

Hersteller, Version, Bild, Funktionsweise, konfiguriert<br />

die nach außen sichtbaren Dienste des<br />

Moduls, beispielsweise Temperieren, die entsprechenden<br />

Oberflächen und deren Kommunikationseinstellungen.<br />

Mit Abschluss des Modulengineerings liegt mit dem<br />

MTP ein Informationsträger vor, der sich in jede<br />

e!Cockpit-Instanz installieren lässt – das Modul steht<br />

damit im Produktkatalog zur Nutzung bereit.<br />

Bild 5 zeigt das Integrations-Engineering in der Übersicht:<br />

1 | Die einzelnen Komponenten der Anlage (Module,<br />

Kopfsteuerung, Leitsystemrepräsentanten) werden<br />

aus dem Produktkatalog in die Netzwerksicht<br />

überführt und dort als Quadrat dargestellt.<br />

2 | Einzelne Repräsentanten und deren Kommunikationsbeziehungen<br />

werden konfiguriert: So werden<br />

unter anderem die Kommunikation (im Beispiel<br />

OPC-Server), die bereitgestellten Daten und die<br />

Adressbereiche von einer Kopfsteuerung zum<br />

Batch-System definiert.<br />

Die prototypische Implementierung in e!Cockpit ermöglicht<br />

ein durchgängiges Modul- und Integrationsengineering.<br />

Es untermauert an einem praktischen<br />

Beispiel, dass beide Engineeringprozesse losgelöst voneinander<br />

durchführbar sind und dass sich ein MTP als<br />

Informationsträger eignet.<br />

BILD 5: Wesentliche Phasen des Integrationsengineerings:<br />

Überführen einzelner Module,<br />

einer Kopfsteuerung sowie der Leitsystemrepräsentanten<br />

aus dem Produktkatalog in das<br />

Integrationsprojekt (1). Projektieren der einzelnen<br />

Komponenten am Beispiel von Proficy Batch (2).<br />

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

11 / 2014<br />

41


HAUPTBEITRAG<br />

ZUSAMMENFASSUNG<br />

Die NE 148 formuliert zahlreiche Anforderungen an<br />

die Automatisierung <strong>modulare</strong>r Prozessanlagen. Im<br />

Beitrag wird ein Konzept mit Lösungsansätzen zur Umsetzung<br />

der NE-148-Anforderungen präsentiert. Dabei<br />

wurden die technischen und die organisatorischen<br />

Aspekte des Engineerings betrachtet.<br />

Grundgedanke einer <strong>modulare</strong>n Anlagenarchitektur<br />

ist die Minimierung des Aufwands während der Integration<br />

eines Moduls in die Anlage. Dies lässt sich durch<br />

Verlagerung von Aufwand in das Engineering des Modullieferanten<br />

erreichen. Der Leitsatz der dezentralen<br />

<strong>Intelligenz</strong> <strong>für</strong> <strong>modulare</strong> Anlagen beinhaltet eine Modul-<br />

definition, die diese zeitliche Vorverlagerung erlaubt. Die<br />

Module werden dadurch befähigt, die Basisautomatisierung<br />

und Teile der Prozedur- und Koordinierungssteuerung<br />

der Gesamtanlage zu übernehmen. Die intendierten<br />

verfahrenstechnischen Funktionen der Module werden<br />

dem übergeordneten Prozessleitsystem durch Dienste zur<br />

Verfügung gestellt. Im Prozessleitsystem müssen die<br />

Dienste in einer geordneten Weise abgerufen und die<br />

Ausführung überwacht, bedient und beobachtet werden.<br />

Heutige Batch-Systeme ermöglichen diese Orchestrierungsfunktion<br />

und werden über eine offene<br />

Schnittstelle aus dem Wago-Engineering angepasst. Ein<br />

Scada-System (als Teil eines PLS oder als Stand-alone-<br />

System) realisiert die Bedien- und Beachtungsfunktio-<br />

AUTOREN<br />

Dipl.-Ing. THOMAS HOLM (geb. 1979) ist wissenschaftlicher<br />

Mitarbeiter an der Professur <strong>für</strong> Automatisierungstechnik<br />

der Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr<br />

Hamburg. Sein Forschungsschwerpunkt liegt im effizienten<br />

Engineering von Automatisierungssystemen flexibler<br />

Produktionsanlagen.<br />

Institut <strong>für</strong> Automatisierungstechnik,<br />

Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg,<br />

Holstenhofweg 85, D-22043 Hamburg,<br />

Tel. +49 (0) 40 65 41 33 27, E-Mail: thomas.holm@hsu-hh.de<br />

Dipl. Ing. MICHAEL OBST (geb. 1985) ist wissenschaftlicher<br />

Mitarbeiter der Professur <strong>für</strong> Prozessleittechnik an der<br />

Technischen Universität Dresden mit den Schwerpunkten:<br />

InformationsmodelIierung, Unterstützungssysteme <strong>für</strong><br />

<strong>modulare</strong>s Anlagenengineering und fallbasiertes Schließen.<br />

Institut <strong>für</strong> Automatisierungstechnik,<br />

Technische Universität Dresden, D-01062 Dresden,<br />

Tel. +49 (0) 351 46 33 21 62, E-Mail: michael.obst@tu-dresden.de<br />

Prof. Dr.-Ing. ALEXANDER FAY (geb. 1970) ist Professor <strong>für</strong><br />

Automatisierungstechnik an der Fakultät <strong>für</strong> Maschinenbau<br />

der Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr<br />

Hamburg. Sein Forschungsschwerpunkt sind Beschreibungsmittel,<br />

Methoden und Werkzeuge <strong>für</strong> einen effizienten<br />

Entwurf von Automatisierungssystemen.<br />

Institut <strong>für</strong> Automatisierungstechnik,<br />

Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg,<br />

Holstenhofweg 85, D-22043 Hamburg,<br />

Tel. +49 (0) 40 65 41 27 19, E-Mail: alexander.fay@hsu-hh.de<br />

Prof. Dr.-Ing. LEON URBAS (geb. 1965) ist Inhaber der<br />

Professur <strong>für</strong> Prozessleittechnik an der Technischen<br />

Universität Dresden. Seine Hauptarbeitsgebiete beim<br />

Engineering verteilter sicherheitskritischer Systeme<br />

sind Funktionsintegration, modellgetriebenes<br />

Engineering, Modularisierung, Informationsmodelle<br />

der Prozessindustrie und Middleware in der Automatisierungstechnik.<br />

Einen weiteren Schwerpunkt bildet<br />

die Gebrauchstauglichkeit von mobilen Informationssystemen<br />

<strong>für</strong> die Prozessindustrie, Analyse, Gestaltung<br />

und Bewertung von Alarmierungs- und Unterstützungssystemen<br />

sowie Methoden der Benutzermodellierung<br />

zur prospektiven Gestaltung von<br />

Mensch-Technik-Interaktion.<br />

Institut <strong>für</strong> Automatisierungstechnik,<br />

Technische Universität Dresden, D-01062 Dresden,<br />

Tel. +49 (0) 351 46 33 96 14,<br />

E-Mail: leon.urbas@tu-dresden.de<br />

Dr. rer. nat. THOMAS ALBERS (geb. 1963) ist Technischer<br />

Leiter <strong>Automation</strong> der Wago Kontakttechnik<br />

GmbH & Co. KG. Nach seinem Studium der Diplomphysik<br />

mit anschließender Promotion war er Entwicklungsleiter<br />

bei Specs in Berlin, anschließend<br />

Entwicklungsleiter bei Baumüller Nürnberg Electronic<br />

und ist heute verantwortlich <strong>für</strong> Entwicklung,<br />

Produktmanagement und Marketing der Automatisierungsprodukte<br />

bei Wago.<br />

Wago Kontakttechnik GmbH & Co. KG,<br />

Hansastraße 27, D-32423 Minden,<br />

Tel. +49 (0) 571 88 71 32,<br />

E-Mail: thomas.albers@wago.com<br />

42<br />

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

11 / 2014


nalität. Für ein einheitliches Look-and-feel der Bedienoberflächen<br />

bedarf es dabei einer systemunabhängigen<br />

Beschreibung des HMI. Über eine offene Kommunikationsschnittstelle<br />

können die Bedienbilder durch<br />

e!Cockpit in das Scada-System integriert werden.<br />

Die aufgezeigten Lösungsansätze lassen sich nur realisieren,<br />

wenn die Werkzeuge der PLS-Ebene über offene<br />

Schnittstellen verfügen. Hier sind Interessengemeinschaften<br />

und Verbände, wie Namur und GMA,<br />

gefordert, die Hersteller von Prozessleitsystemen in die<br />

Pflicht zu nehmen.<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

13.08.2014<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

Dr.-Ing. SVEN KREFT (geb. 1982) studierte<br />

Naturwissenschaftliche Informatik mit der<br />

Fachrichtung Robotik an der Universität<br />

Bielefeld. Anschließend war er als wissenschaftlicher<br />

Mitarbeiter in der Fachgruppe<br />

Produktentstehung am Heinz Nixdorf Institut<br />

der Universität Paderborn beschäftigt.<br />

Er promovierte 2012 mit einem Beitrag<br />

zur effizienten Bildung geospezifischer<br />

Umgebungsmodelle <strong>für</strong> interaktive Fahrsimulationen.<br />

Heute ist er Software-<br />

Produktmanager bei Wago Kontakttechnik.<br />

Wago Kontakttechnik GmbH & Co. KG,<br />

Hansastraße 27, D-32423 Minden,<br />

Tel. +49 (0) 571 88 77 76 86,<br />

E-Mail: sven.kreft@wago.com<br />

Dipl.-Ing. ULRICH HEMPEN (geb. 1964) ist<br />

Leiter des internationalen Key Account und<br />

Branchenmanagements <strong>für</strong> die Prozess-,<br />

Fertigungs-, Transport- und Schiffsindustrie<br />

der Wago Kontakttechnik. Nach seinem<br />

Studium der Elektrotechnik war er zunächst<br />

verantwortlicher Produktmanager <strong>für</strong><br />

intelligente Feldgeräte bei Hartmann & Braun,<br />

Bereichsleiter <strong>für</strong> Systemtechnik bei<br />

Endress+Hauser und geschäftsführender<br />

Gesellschafter von Endler & Kumpf.<br />

Wago Kontakttechnik GmbH & Co. KG,<br />

Hansastraße 27, D-32423 Minden,<br />

Tel. + 49 (0) 571 88 73 80,<br />

E-Mail: ulrich.hempen@wago.com<br />

REFERENZEN<br />

[1] Urbas, L.; Bleuel, S.; Jäger, T.; Schmitz, S.; Evertz, L.; Nekolla, T.:<br />

Automatisierung von Prozessmodulen. Von Package-Unit-Integration<br />

zu <strong>modulare</strong>n Anlagen. <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> – Automatisierungstechnische<br />

Praxis 54(1-2), S. 44-53, 2012<br />

[2] Lier, St.: Entwicklung einer Bewertungsmethode <strong>für</strong> die<br />

Modularisierung von Produktionssystemen in der Chemieindustrie.<br />

Dissertation Ruhr-Universität Bochum, 2013<br />

[3] Meier, H., Uhlmann, E.: Hybride Leistungsbündel – ein neues<br />

Produktverständnis. In: Meier, H., Uhlmann, E. (Hrsg.) Integrierte<br />

Industrielle Sach- und Dienstleistungen, S. 1-21. Springer 2012<br />

[4] Obst, M.; Holm, T.; Bleuel, S.; Claussnitzer, U. ; Evertz, L.; Jäger, T.;<br />

Nekolla, T.; Pech, S.; Schmitz, S.; Urbas, L.: Automatisierung im Life<br />

Cycle <strong>modulare</strong>r Anlagen. <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> – Automatisierungstechnische<br />

Praxis 55(1-2), S. 24-31, 2013<br />

[5] Fay, A.; Drumm, O.; Eckardt, R.; Gutermuth, G.; Krumsiek, D.; Löwen,<br />

U.; Schertl, A.; Schindler, T.; Schröck, S.: Anforderungen an Leitsysteme<br />

durch Industrie 4.0. In: Tagungsband <strong>Automation</strong> 2014, [CD].<br />

VDI, 2014<br />

[6] NE 148: Anforderungen an die Automatisierungstechnik durch die<br />

Modularisierung verfahrenstechnischer Anlagen. Namur 2013<br />

[7] Urbas, L.: Zentrales Leitsystem ja oder nein?. process-online:<br />

http://www.process.vogel.de/automatisierung_prozessleittechnik/<br />

articles/451796/?cmp=nl-98; zuletzt: 21.07.2014<br />

[8] Stern, W.: Allgemeine Psychologie auf personalitischer Grundlage.<br />

Haag: Martinus Nijhof 1935<br />

[9] Kainz., G; Keddis, N., Pensky, D., Buckl, Ch., Zoitl, A., Pittschellis, R.,<br />

Kärcher, B. AutoPnP – Plug-and-produce in der <strong>Automation</strong>.<br />

Wandelbare Fabrik als cyber-physisches System <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> –<br />

Auto matisierungstechnische Praxis 55(4), S. 42-49, 2013<br />

[10] Hady, Łukasz; Wozny, Günter: Multikriterielle Aspekte der Modularisierung<br />

bei der Planung verfahrenstechnischer Anlagen. Chemie<br />

Ingenieur Technik 84 (5), S. 597–614, 2012. DOI: 10.1002/cite.201100175<br />

[11] DIN EN 61512-1: Chargenorientierte Fahrweise. Beuth 2010<br />

[12] Brandl, D.: Design patterns for flexible manufacturing. ISA 2007<br />

[13] Hawkins, W.; Brandl, D.: Applying ISA-88 in discrete and continuous<br />

manufacturing. Momentum Press, 2010<br />

[14] Urbas, L.; Doherr, F.: autoHMI: a model driven software engineering<br />

approach for HMIs in process industries. In: Proc. IEEE Int. Conf.<br />

Computer Science and <strong>Automation</strong> Engineering, S. 627-631. IEEE 2011<br />

[15] Greifender, J.; Schulz, D.; Rodriguez, P.: Standardprofile <strong>für</strong> elektrische<br />

Geräte. Ein IEC 61131-Funktionsbausteinkonzept. <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> –<br />

Auto matisierungstechnische Praxis 55(9), S. 34-43, 2013<br />

[16] Gredy, G.; Hähniche, J.; Brcic, M.: Konfigurationsmanagement<br />

im Anlagenlebenszyklus. Effiziente Versionsverwaltung von<br />

Kom ponenten. <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> – Automatisierungstechnische Praxis 55(10),<br />

S. 30-36, 2013<br />

[17] Obst, M.; Hahn, A.; Urbas, L.: Package-Unit-Integration in der<br />

Prozessindustrie. Was fehlt <strong>für</strong> Plug-and-produce? <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> –<br />

Automatisierungstechnische Praxis 56(1-2), S. 56-66, 2014<br />

[18] Obst, M.; Runde, S.; Wolf, G.; Urbas, L.: Integration Requirements of<br />

Package Units - A Description Approach with FDI. In: Proc. 18th int.<br />

IEEE Conf. Emerging Technologies & Factory <strong>Automation</strong> (ETFA 2013).<br />

IEEE, 2013. DOI:10.1109/ETFA.2013.6647974<br />

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

11 / 2014<br />

43


HAUPTBEITRAG<br />

Kommunikation mit<br />

<strong>Automation</strong>ML beschreiben<br />

Formale Modellierung industrieller Kommunikationssysteme<br />

Kommunikationssysteme sind integraler Bestandteil moderner Steuerungssysteme,<br />

da sie die von den Steuerungssystemen genutzten Peripheriegeräte miteinander verbinden.<br />

Die Planung von Produktionssystemen und den in sie eingebetteten Steuerungssystemen<br />

muss Kommunikationssysteme detailliert berücksichtigen. In jeder<br />

Phase des Entwurfs entstehen relevante Daten <strong>für</strong> den Entwurf des Kommunikationssystems,<br />

die in späteren Phasen benötigt werden. Die Weitergabe dieser Planungsinformation<br />

im Lebenszyklus des Produktionssystems zwischen den Werkzeugen<br />

bildet noch heute ein technisches Problem. Es steht kein passendes Datenaustauschformat<br />

zur Verfügung, das eine konsistente und verlustfreie Informationsweitergabe<br />

zwischen Entwurfswerkzeugen ermöglicht. Im Rahmen des<br />

<strong>Automation</strong>ML e.V. wurde eine Methode entwickelt, Kommunikationssysteme auf<br />

Basis des Datenaustauschformats darzustellen, ausgehend von formalen Modellen.<br />

Die Methode wird in diesem Beitrag vorgestellt.<br />

SCHLAGWÖRTER <strong>Automation</strong>ML / Engineering / Modellierung / Austauschformat /<br />

Kommunikationssysteme<br />

Modelling of Industrial Communication Systems with <strong>Automation</strong>ML –<br />

Formal Modelling of Industrial Communication Systems<br />

Communication systems are an integral part of modern control systems as they form<br />

the backbone of the communication between automation devices. The engineering<br />

of production systems and the integrated control systems has to take into account<br />

the details of the communication system. In each phase of the development process,<br />

engineering data is generated which is required in subsequent phases. However, the<br />

transfer of planning information through the life cycle of the production system is<br />

still a problem. Data exchange is not supported by any neutral data format which<br />

would enable the consistent and loss-free transfer of information engineering tools.<br />

A method is presented here for the modelling of communication systems based on<br />

<strong>Automation</strong>ML, developed by the <strong>Automation</strong>ML e.V.<br />

KEYWORDS <strong>Automation</strong>ML / engineering / modelling / data exchange format /<br />

communication systemss<br />

44<br />

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

11 / 2014


MATTHIAS RIEDL, Institut <strong>für</strong> <strong>Automation</strong> und Kommunikation<br />

ARNDT LÜDER, Otto-von-Guericke Universität Magdeburg<br />

BENNO HEINES, Phoenix Contact Electronics<br />

RAINER DRATH, ABB Forschungszentrum<br />

Das Rückgrat des Informationsaustauschs zwischen<br />

den Automatisierungsgeräten in digitalen<br />

Produktionssystemen bilden industrielle Kommunikationssysteme.<br />

Die Kommunikationssysteme<br />

müssen bei der Planung der Produktionssysteme<br />

auf den Bedarf des Nachrichtenaustauschs abgestimmt<br />

werden, um die wesentlichen Zielsetzungen – die<br />

Zusicherung des Datenaustauschs und eine optimale<br />

Ausnutzung der Bandbreite – zu erreichen. Die Planungsdaten<br />

beeinflussen damit entscheidend die Betriebsphase<br />

des Produktionssystems. Daneben werden beispielsweise<br />

die Planungsdaten <strong>für</strong> die Simulation des Gesamtsystems<br />

im Rahmen der virtuellen Inbetriebnahme oder <strong>für</strong> Diagnosezwecke<br />

herangezogen.<br />

Nachteilig ist die momentan nicht einheitliche Behandlung<br />

der Planungsdaten. Gründe hier<strong>für</strong> sind Einflüsse<br />

der herstellerspezifischen Engineeringwerkzeuge beziehungsweise<br />

Unterschiede der betrachteten industriellen<br />

Kommunikationssysteme. Der Beitrag behandelt die im<br />

Rahmen von <strong>Automation</strong>ML [1] entstandene Methode <strong>für</strong><br />

die Spezifikation eines vereinheitlichten Austauschformats<br />

<strong>für</strong> die Beschreibung der Planungsdaten von industriellen<br />

Kommunikationssystemen. Die in der Methode<br />

zu berücksichtigende Information wurde mit Hilfe praxisrelevanter<br />

Anwendungsfälle bestimmt. Diese Anwendungsfälle<br />

wurden anschließend in einer Analysephase<br />

genügend abstrahiert, um deren Allgemeingültigkeit zu<br />

erhöhen. In einem dritten Schritt wurden formale Beschreibungen<br />

des Datenhaushalts der beteiligten automatisierungstechnischen<br />

Geräte und der Kommunikationsmöglichkeiten<br />

anhand von UML-Diagrammen erstellt<br />

und konsolidiert. Im Beitrag werden diese UML-Diagramme<br />

als Basis <strong>für</strong> die Überlegungen genommen, um die<br />

daraus abgeleiteten Abbildungen in das Austauschformat<br />

auf Basis von CAEX gemäß IEC 62424 [2] aufzuzeigen. Es<br />

werden die wichtigsten Modellierungsaspekte von <strong>Automation</strong>ML<br />

zur Darstellung von Objekten, deren Bedeutung<br />

und deren Beziehungen untereinander in Relation<br />

zum Anwendungsgebiet verdeutlicht.<br />

Die entwickelte Methode zur Abbildung der Planungsdaten<br />

basiert auf der Betrachtung der logischen und physikalischen<br />

Topologie des industriellen Kommunikationssystems<br />

und der daran angeschlossenen Geräte. Im<br />

Ergebnis wurde eine Bibliothek von kommunikationsspezifischen<br />

Rollen spezifiziert, die alle notwendigen semantischen<br />

Objekte <strong>für</strong> die Beschreibung von Kommunikationssystemen<br />

enthält. Sie beinhaltet Rollen, die <strong>für</strong> physikalische<br />

Netzwerke, Geräte und Verbindungen sowie<br />

<strong>für</strong> logische Netzwerke, Geräte und Verbindungen die<br />

entsprechenden Semantiken bereitstellen.<br />

1. MOTIVATION<br />

Für die Modellierung der zuvor genannten Anforderungen<br />

wurde der Ansatz verfolgt, ein zunächst abstraktes<br />

Informationsmodell zu beschreiben, das wichtige Strukturen,<br />

Zustände und Zusammenhänge der Kommunikationsteilnehmer<br />

aus Sicht des gesamten Steuerungssystems<br />

abbildet. Diese Modellierung ist nicht trivial, da die<br />

klassische Industrie automation durch zentrale Strukturen<br />

gekennzeichnet ist, das heißt in der Steuerung werden<br />

zyklisch (zeitgesteuert) alle Sensordaten zusammengeführt,<br />

informationstechnisch verarbeitet und resultierende,<br />

(nötige und berechnete) Stellsignale ausgegeben.<br />

Die Einführung digitaler industrieller Kommunikationssysteme<br />

(Feldbusse, zum Beispiel Profibus, Interbus, Profinet)<br />

hat zu einer Dezentralisierung der Datenvorverarbeitung<br />

der Sensor-/Aktorebene geführt, die Informationsverarbeitung<br />

und Abarbeitung von Regelalgorithmen<br />

erfolgt aber weiterhin überwiegend zentral. Moderne<br />

Feldgeräte (Sensoren und Aktoren) zeichnen sich zunehmend<br />

durch höhere Prozessorleistungen aus, die <strong>für</strong> mehr<br />

Informations verarbeitung sowie eine rechenintensive<br />

Feld-Kommunikation (Umsetzung der Information auf<br />

Feldbussprotokolle) direkt im Gerät genutzt werden. Dies<br />

ermöglicht eine echte Funktionsverteilung, die künftig<br />

auch azyklisch (ereignisgesteuert) erfolgt, sowie die vertikale<br />

Integration zu betrieblichen Informationsverarbeitungssystemen.<br />

Dadurch entstehen neue Automatisierungsarchitekturen<br />

[10]. All diese Aspekte müssen modelliert<br />

werden und in Beziehung bis hin zur Sichtweise<br />

der Leitebene gesetzt werden, die lediglich eine übergeordnete<br />

Sicht auf die einzelnen Geräte besitzt [3].<br />

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

11 / 2014<br />

45


HAUPTBEITRAG<br />

Für die Modellierung von Kommunikationssystemen<br />

existieren bereits verschiedene Modellierungsmethoden,<br />

die jedoch meist auf spezifische Eigenschaften der Kommunikationssysteme<br />

fokusiert sind. Beispiele da<strong>für</strong>: die<br />

Modellierung von Kommunikationsprotokollen zur Validierung<br />

[12], die Modellierung von Kommunikationsdatenpaketen<br />

zum Onlinemonitoring [13], die formale<br />

Verifikation von Proto kollverhalten [14] und die Modellierung<br />

von Zeitverhalten [15]. Die den Autoren bekannten<br />

Modellierungsmethoden reichen jedoch nicht aus,<br />

alle relevanten Eigen schaften von Kommunikationssystemen<br />

zu beschreiben, wie sie unter anderem in [16,17]<br />

angedeutet sind.<br />

Die Modellierung der in einem Kommunikationssystem<br />

beteiligten Partner und deren auszutauschende<br />

Information wurde zunächst abstrakt und vollkommen<br />

unabhängig von einer späteren konkreten Beschreibungssprache<br />

durchgeführt. Dies diente vor allem<br />

dazu, den Blick nicht durch sprachliche oder impleclass<br />

CommunicationStructure<br />

communicationStructure<br />

InternalElement<br />

logicalTopology<br />

physicalTopology<br />

physicalDevice<br />

BILD 1: Struktur der beschriebenen Aspekte<br />

class LogicalTopology<br />

logicalTopology<br />

1..*<br />

logicalConnection<br />

«Property»<br />

+ logicalConnectionId: xs:ID<br />

+ logicalEndPointIdRefs: xs:IDREFS<br />

1<br />

1..*<br />

1<br />

logicalEndPoint<br />

«Property»<br />

1..* + logicalEndPointId: xs:ID<br />

+ logicalEndPointRole: xs:string<br />

BILD 2: Struktur einer logischen Verbindung<br />

class PhysicalTopology<br />

physicalTopology<br />

1..*<br />

physicalConnection<br />

«Property»<br />

+ physicalConnectionId: xs:ID<br />

+ physicalEndPointIdRefs: xs:IDREFS<br />

physicalEndPoint<br />

«Property»<br />

1..* + physicalEndPointId: xs:ID<br />

+ logicalEndPointRef: xs:IDREF<br />

BILD 3: Struktur einer physischen Verbindung<br />

Komplexer wird diese Thematik, wenn zusätzlich der<br />

Planungs prozess einer Produktionsanlage mit betrachtet<br />

wird. Hier kommen mehrere, unterschiedliche und spezialisierte<br />

Werkzeuge zum Einsatz, die jeweils einen Teilaspekt<br />

des Engineerings abdecken, zum Beispiel Identifikation<br />

von Kommunikationsverbindungen, Entwurf von<br />

Verkabelungsstrukturen, Konfiguration der intelligenten<br />

Feldgeräte, Konfiguration der Feldbussysteme, Integration<br />

der Feldgeräte daten in die Steuerungssysteme und deren<br />

Abbildung auf interne Variablen, die einen symbolischen<br />

Namen erhalten. Die dabei entstehenden Informationsmengen<br />

werden zumeist getrennt gespeichert. Zudem werden<br />

die Relationen zwischen den verschiedenen Daten, die nach<br />

dem Engineering in den beteiligten Automatisierungsgeräten<br />

vorliegen, nach heutigem Stand im Nachgang per Hand<br />

zusammengestellt und gepflegt. Diese verteilte Datenhaltung<br />

und das händische Vorgehen können als ein Grund<br />

<strong>für</strong> bestehende Fehlerpotenziale im Entwurfsprozess angesehen<br />

werden. Zum Beispiel entstehen Inkonsistenzen<br />

durch Änderungen, die bei der Inbetriebnahme durchgeführt<br />

und in den übergreifenden Dokumenten unzureichend<br />

gepflegt werden. <strong>Automation</strong>ML kann als Bindeglied<br />

dienen, bei dem die beteiligten Werkzeuge ihre Daten einheitlich<br />

ex- und importieren können und somit ein Datenabgleich<br />

computergestützt vorgenommen werden kann.<br />

So ist es heute zum Beispiel <strong>für</strong> eine Prozessvariable nicht<br />

möglich, diese durchgängig von der Gerätebeschreibung<br />

<strong>für</strong> die Kommunikations konfiguration, als Variable einer<br />

speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), im Inbetriebnahmewerkzeug<br />

und in der Asset-Management-Anwendung<br />

eindeutig maschinenunterstützt zuzuordnen. Der<br />

Ingenieur, der beispielsweise einen Fehler sucht, muss in<br />

verschiedenen Handbüchern oder – wenn vorhanden – im<br />

Dokumentenserver der Produktionsanlage nach den einzelnen<br />

Angaben suchen und mittels seiner Erfahrung die<br />

benötigten Zusammenhänge herstellen. Die Information<br />

über die auszutauschenden Daten und deren Zusammenhänge<br />

wird vor allem in den Phasen der Inbetriebsetzung<br />

und teilweise im Betrieb einer Produktionsanlage benötigt.<br />

2. ABSTRAKTE MODELLIERUNG DER KOMMUNIKATION<br />

46<br />

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

11 / 2014


class Device<br />

information<br />

«Property»<br />

+ descriptor: xs:string<br />

+ deviceClassification: xs:NMTOKEN<br />

+ installationManual: int<br />

+ networkConfigurationManual: int<br />

+ productDate: xs:date<br />

+ productId: xs:nonNegativeInteger<br />

+ productName: xs:normalizedString<br />

+ productRevision: xs:normalizedString<br />

+ userManual: int<br />

+ vendor: xs:normalizedString<br />

+ vendorId: xs:nonNegativeInteger<br />

0..*<br />

physicalDevice<br />

- subDeviceNumber: xs:nonNegativeInteger<br />

«Property»<br />

+ IEC81346FunctionReference: xs:normalizedString<br />

+ IEC81346LocationReference: xs:normalizedString<br />

+ IEC81346ProductReference: xs:normalizedString<br />

+ physicalDeviceId: xs:ID<br />

logicalDevice<br />

- deviceConfig: xs:string<br />

0..*<br />

«Property»<br />

+ deviceDescriptionReference: xs:anyURI<br />

+ logicalDeviceId: xs:ID<br />

+ protocol: xs:normalizedString<br />

+ usedPhysicalEndPointIdRef: xs:IDREFS<br />

1<br />

physicalEndPointList<br />

0..*<br />

physicalChannelList<br />

0..*<br />

deviceResource<br />

«Property»<br />

+ resourceId: xs:ID<br />

0..1<br />

networkData<br />

0..1<br />

logicalPortList<br />

1..*<br />

physicalEndPoint<br />

physicalChannel<br />

0..*<br />

variableList<br />

«Property»<br />

+ physicalEndPointId: xs:ID<br />

+ logicalEndPointIdRef: xs:IDREF<br />

«Property»<br />

+ physicalChannelID: xs:ID<br />

1..*<br />

networkDataItem<br />

1..*<br />

logicalEndPoint<br />

«Property»<br />

+ logicalEndPointId: xs:ID<br />

+ logicalEndPointRole: xs:string<br />

0..*<br />

0..*<br />

1..*<br />

variable<br />

«Property»<br />

+ variableId: xs:ID<br />

BILD 4:<br />

Beschreibung des<br />

Automatisierungsgeräts<br />

(Teil 1)<br />

mentierungstechnische Einschränkungen zu verfälschen<br />

und wesentliche Aspekte unberührt zu lassen.<br />

Ausgangspunkt ist das in Bild 1 dargestellte Klassendiagramm,<br />

nach dem die zu beschreibende Information<br />

des Kommunikationssystems in eine logische und eine<br />

physische Topologie aufgeteilt werden kann. Diese Unterscheidung<br />

hat sich in der Praxis zur Beschreibung<br />

von Kommuni kationsnetzen bewährt [8,9] und eröffnet<br />

die Möglichkeit, Ab weichungen der logischen Beziehungen<br />

zwischen Netzwerkteilnehmern und deren<br />

realer Verbindung zu beschreiben.<br />

Die geforderte Verbindung zwischen der auszutauschenden<br />

Information und den Datenpunkten innerhalb<br />

eines Geräts erfolgt in der Beschreibung des physischen<br />

Geräts, das von der konkreten Ausprägung (Steuerung,<br />

Peripheriegerät, Infrastrukturkomponente) erst einmal<br />

abstrahiert. Die Kommunikation in der Automatisierungsanlage<br />

erfolgt heute über Netzwerkgrenzen hinweg,<br />

sodass die Kommunikationsstruktur auch reflexive<br />

Beziehungen zwischen den Netzwerken aufweist.<br />

In Bild 2 wird verdeutlicht, dass aus logischer Sicht<br />

das Kommunikations netzwerk aus einer Auflistung logischer<br />

Verbindungen zwischen Endpunkten besteht,<br />

die die Übermittlung von Daten auf Steuerungsebene<br />

repräsentieren. Mit dem Modell lassen sich alle Arten<br />

von logischen m:n-Beziehungen, wie Master-Slave, Publisher-Subscriber<br />

oder Quelle-Senke ausdrücken. Die<br />

reflexive Beziehung zwischen den logischen Endpunkten<br />

erlaubt dann den Datenaustausch zwischen diesen.<br />

Bild 3 stellt die Zusammenhänge aus physischer<br />

Sicht dar. Das Kommunikationsnetzwerk besteht aus<br />

einer Auflistung physischer Verbindungen zwischen<br />

physischen Endpunkten, die den physisch existierenden<br />

Übertragungswegen im Kommunikationssystem<br />

entsprechen. Mit dem Modell lassen sich alle Arten von<br />

physischen m:n-Beziehungen, wie Ring, Stern, Bus,<br />

Linie oder vermaschtes Netz, die als leitungsgebundene<br />

Lösungen wie Kupferkabel oder LWL beziehungsweise<br />

auch als Funkkanäle bestehen, ausdrücken. Welche<br />

Instanz eines physischen Endpunkts dann direkt<br />

mit einer anderen Endpunktinstanz in Kontakt steht,<br />

drückt wiederum die reflexive Beziehung an der Klasse<br />

aus. Zudem wird auf den logischen Endpunkt verwiesen,<br />

der diesen physischen Zugangspunkt nutzt.<br />

Bild 4 und Bild 5 zeigen die Interna eines Automatisierungsgeräts<br />

und stellen die Verbindung zwischen den logischen<br />

und physischen Endpunkten einer Kommunikationsbeziehung<br />

her. Innerhalb eines Geräts können mehrere<br />

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

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47


HAUPTBEITRAG<br />

class Device<br />

processDataItem<br />

«Property»<br />

+ processDataItemId: xs:ID<br />

+ variableIdRef: xs:IDREF<br />

+ processDataItemIdRef: xs:IDREF<br />

+ physicalChannelIdRef: xs:IDREF<br />

processDataInput<br />

protocolData<br />

logicalEndPoint<br />

«Property»<br />

+ logicalEndPointId: xs:ID<br />

+ logicalEndPointRole: xs:string<br />

1..*<br />

processDataOutput<br />

1<br />

processDataItemList<br />

pduList<br />

pdu<br />

payload<br />

«Property»<br />

+ address: xs:string<br />

dataItem<br />

«Property»<br />

+ octetOffset: int<br />

+ bitOffset: int<br />

+ numberOfBits: int<br />

parameterItemList<br />

parameterItem<br />

«Property»<br />

+ parameterItemId: xs:ID<br />

+ variableIdRef: xs:IDREF<br />

+ physicalChannelIdRef: xs:IDREF<br />

BILD 5: Beschreibung des Automatisierungsgeräts (Teil 2)<br />

1..*<br />

1..*<br />

logische Geräte vorhanden sein, die die logischen Endpunkte<br />

besitzen. Beispiele hier<strong>für</strong> sind <strong>modulare</strong> Feld- oder Peripheriegeräte<br />

oder Steuerungen mit mehreren parallel<br />

laufenden Anwendungen. Ein physischer Netzzugangspunkt<br />

zum Gerät, sei es eine Buchse oder eine Antenne,<br />

wird in der Regel softwareseitig mit dem logischen Endpunkt<br />

in einem logischen Gerät oder einer Anwendung<br />

verbunden. Beispielhaft sei dies <strong>für</strong> Ethernet <strong>für</strong> eine IPbasierte<br />

Verbindung erklärt: Das Gerät besitzt eine Ethernet-<br />

Buchse und verfügt über eine IP-Adresse. Ein Programm<br />

auf dem Gerät stellt eine Beziehung zwischen einem IP-Port<br />

und dem Netzwerkzugang über einen Socket her.<br />

Des Weiteren ist der Aufbau der Protocol Data Unit<br />

(PDU) der über den logischen Endpunkt auszutauschenden<br />

Daten interessant. Über einen Endpunkt können<br />

im Prinzip mehrere unterschiedliche PDU-Typen ausgetauscht<br />

werden, wobei häufig eine feste Zuordnung<br />

zwischen logischem Endpunkt und PDU-Typ vorzufinden<br />

ist. Aus Sicht der Steuerungsaufgaben wird häufig<br />

zwischen zeitlich oft auszutauschenden Prozessdaten<br />

und gelegentlich auszutauschenden Parametrierdaten<br />

unterschieden. Die Prozessdaten haben aus Sicht des<br />

Steuerungssystems auch einen Datenfluss – und damit<br />

auch eine Wirkrichtung: Ein- oder Ausgabe.<br />

Die Beziehung der in den PDU enthaltenen Daten zu<br />

physischen Signalen (Ein-/Ausgabekanäle) oder zu Variablen<br />

eines Steuerungssystems werden im Modell über<br />

eindeutige Identifier hergestellt. Das Modell unterscheidet<br />

hierbei nicht die konkrete Geräterolle oder den Gerätetyp.<br />

Es ist aus Sicht der Kommunikation unerheblich,<br />

ob eine Information im Gerät innerhalb einer SPS-<br />

Ressource oder in einer Feldgeräteapplikation weiterverarbeitet<br />

wird, zum Beispiel in einem Drucktransmitter<br />

oder Stellantrieb. Daher abstrahiert das Modell an der<br />

Stelle und ordnet die Weiterverarbeitung einer Variable<br />

innerhalb einer deviceResource zu.<br />

Aus Sicht der Anlagenplanung ist eine eindeutige Zuordnung<br />

der Kommunikationsdaten zu Signalen innerhalb<br />

der Produktionsanlage wichtig. Diese Signale werden<br />

in der Regel durch andere Engineeringwerkzeuge<br />

geplant und eindeutig identifiziert. Das Kommunikationsmodell<br />

verweist auf diese Information, wenn das<br />

Peripheriegerät solche Signale aus dem zu steuernden<br />

Prozess aufnimmt beziehungsweise auf diesen wirkt. In<br />

einigen Branchen wird der Begriff Kanal <strong>für</strong> Signale<br />

aller Art benutzt. Diese Terminologie wurde aufgegriffen,<br />

sodass Peripheriegeräte über physicalChannel verfügen<br />

können, und über eindeutige Identifier kann die<br />

Beziehung zwischen kommuniziertem Datum in der<br />

PDU zu einem Kanal/Signal hergestellt werden.<br />

3. UMSETZUNG ANHAND EINES BEISPIELS<br />

BILD 6: Beispielanlage mit SPS, Scada und zwei Feldgeräten<br />

M odellierungsgegenstand sei eine hypothetische Automatisierungsanlage,<br />

die aus einer zentralen SPS, zwei<br />

Feldgeräten und einem Scada-System zur Prozessvisualisierung<br />

besteht. Die betrachteten Feldgeräte sind ein<br />

Temperatursensor (TF 12) und ein Stellantrieb (TZID),<br />

sodass sich mit diesen Geräten eine komplette Regelstrecke<br />

aufbauen ließe. Bild 6 zeigt den schematischen Überblick<br />

über die hypothetische Automatisierungsanlage.<br />

48<br />

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

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PLC : physicalDevice<br />

Logische_Topology:<br />

logicalTopology<br />

Std_Res : deviceResource<br />

Cyclic_1:<br />

logicalConnection<br />

varInput : variable<br />

in1 : processDataInput<br />

Profibus : logicalDevice<br />

varOutput : variable<br />

variableIdRef_1<br />

Cyclic_2:<br />

logicalConnection<br />

in1_temp :<br />

processDataInput<br />

in1 : processDataInput<br />

variableIdRef_2<br />

out1 : processDataOutput<br />

Profibus-Socket_1 :<br />

physicalEndPoint<br />

out1 : processDataOutput<br />

logicalEndPointIDRef_1<br />

logicalEndPointIDRef_2<br />

Acyclic_1:<br />

logicalConnection<br />

out1_valve :<br />

processDataOutput<br />

BILD 7: Modellierung innerhalb der SPS<br />

param1: parameterItem<br />

TF12 : physicalDevice<br />

runtime :<br />

deviceResource<br />

Profibus :<br />

logicalDevice<br />

Profibus-Socket_2 :<br />

physicalEndPoint<br />

temp : variable<br />

param1 : variable<br />

in1_temp :<br />

processDataInput<br />

param1 :<br />

parameterItem<br />

variableIdRef_3<br />

variableIdRef_4<br />

logicalEndPointIDRef_3<br />

logicalEndPointIDRef_4<br />

…<br />

Phyische_Topology:<br />

physicalTopology<br />

Profibus -Cable_1:<br />

physicalConnection<br />

Ethernet-Cable_1:<br />

physicalConnection<br />

…<br />

xyz: parameterItem<br />

BILD 9: Modellierung der logischen Topologie<br />

Profibus -Socket_1 :<br />

physicalEndPoint<br />

Profibus -Socket_2 :<br />

physicalEndPoint<br />

Profibus -Socket_3 :<br />

physicalEndPoint<br />

BILD 8: Modellierung innerhalb des Feldgerätes TF 12<br />

BILD 10: Modellierung der physischen Topologie<br />

Es gibt ausgehend von der SPS zwei logische Beziehungen<br />

zu den beiden Feldgeräten, die beide als Prozessdatenverbindungen<br />

ausgeprägt sind. Daneben gibt es azyklische<br />

Verbindungen vom Scada zu den Feldgeräten und<br />

zur Steuerung (die Autoren verwenden die englische<br />

Abkürzung PLC). Bild 7 zeigt die Modellierung innerhalb<br />

einer SPS <strong>für</strong> die zyklische Kommunikation. In dieser<br />

befindet sich eine Ausführungseinheit <strong>für</strong> das Steuerungsprogramm.<br />

Darin sind die <strong>für</strong> die Kommunikation<br />

interessanten Variablen varInput und varOutput entsprechend<br />

des PLCopen-XML-Austauschformats [4] beschrieben.<br />

Die logischen Endpunkte der Profibus-Verbindung<br />

sind als processDataItems in1 und out1 mit ihren Spezialisierungen<br />

als processDataInput und processDataOutput<br />

abgebildet. Nun müssen die logischen Endpunkte<br />

noch mit den Variablen des SPS-Programms in Beziehung<br />

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

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49


HAUPTBEITRAG<br />

gesetzt werden (variableIdRef_1 und variableIdRef_2), damit<br />

klar wird, dass und wie deren Werte über das Kommunikationssystem,<br />

in dem Fall Profibus [5], übertragen<br />

werden. Weiterhin ist der physische Zugangspunkt des<br />

Kommunikationssystems an der Steuerung modelliert.<br />

Von diesem erfolgen Verweise (logicalEndPointIdRef_1<br />

und logicalEndPointIdRef_2) auf die logischen Endpunkte,<br />

die diesen physischen Datenpunkt benutzen.<br />

Bild 8 zeigt exemplarisch <strong>für</strong> die Feldgeräte die interne<br />

Modellierung, die fast analog zur SPS gestaltet ist.<br />

Komplexe Feldgeräte ve rfügen heute analog zu den SPS<br />

über eigene Softwareprogramme, die in der Regel jedoch<br />

nicht frei programmierbar, sondern parametrierbar sind.<br />

Aus Sicht der auszutauschenden Daten wurden daher<br />

<strong>für</strong> die komplexen Feldgeräte die Datenpunkte in einem<br />

Programm modelliert. Im Beispiel werden über den Prozessdatenkanal<br />

der Messwert (Temperatur als process-<br />

DataInput) und über den Parameterkanal ein weiterer<br />

Wert (param1 als parameterItem), etwa zum Einstellen<br />

der Messeinheit, wie °C, K oder F, ausgetauscht.<br />

Nachdem die Relationen innerhalb der beteiligten<br />

Kommunikationspartner beschrieben sind, müssen die<br />

äußeren Beziehungen zwischen d en Kommunikationspartnern<br />

modelliert werden. Bild 9 zeigt die logische<br />

Topologie als eine Auflistung von logischen Verbindungen<br />

zwischen den logischen Endpunkten. Zwischen den<br />

logischen Endpunkten erfolgt dann der Datenaustausch,<br />

der als gerichtete Relation abgebildet werden kann. Analog<br />

wird die physische Topologie, siehe Bild 10, modelliert,<br />

wobei hier jedoch die physischen Endpunkte betrachtet<br />

werden. Im Beispiel sind die Profibus-Geräte<br />

über ein Kabel miteinander verbunden und kommunizieren<br />

dabei ausgehend vom Master miteinander.<br />

Das Beispiel ist einfach gehalten, um die Modellierung<br />

überschaubar zu gestalte n. Reale Anlagen sind wesentlich<br />

umfangreicher u nd kommen im Engineering nicht<br />

ohne geeignete Werkzeugunterstützung aus.<br />

Aufgabe der Arbeitsgruppe Kommunikation innerhalb<br />

des <strong>Automation</strong>ML e.V. war und ist neben der<br />

abstrakten Modellierung die Entwicklung einer Methode,<br />

um die in den letzten Abbildungen dargestellte<br />

Modellierung der vielfältigen Kommunikationsbeziehungen<br />

mit Hilfe des Austauschformats von <strong>Automation</strong>ML<br />

abzubilden und damit eine konsistente<br />

Weitergabe von Planungsdaten in der Engineeringphase<br />

zwischen den Werkzeugen zu ermöglichen. Im Wesentlichen<br />

werden Regeln definiert, wie die Grundbeziehungen<br />

der Kommunikationsaspekte in der Rollenbibliothek<br />

von <strong>Automation</strong>ML hinterlegt werden.<br />

<strong>Automation</strong>ML basiert auf dem Beschreibungsformat<br />

CAEX gemäß IEC 62424, wobei CAEX eine auf XML<br />

basierende Modellierungssprache ist, die den Sprachumfang<br />

des XML weitestgehend ausnutzt. CAEX gibt<br />

dabei einen zu verwendenden Namensraum und ein<br />

zu verwendendes Schema vor, die nur in bestimmten<br />

Elementen zur Integration spezifischer Informationsmengen<br />

aufgebrochen werden können.<br />

In einem ersten Schritt wurden die Hauptbestandteile<br />

des Kommunikationsmodells, wie das eigentliche Automatisierungsgerät<br />

als ‚PhysicalDevice‘ oder die logischen<br />

und physischen Verbindungen, in einer Rollenbibliothek<br />

hinterlegt. Die nutzbaren Schnittstellen dieser<br />

REFERENZEN<br />

[1] <strong>Automation</strong>ML e.V.: Description of Logic Data,<br />

www.automationml.org, 2012<br />

[2] IEC 62424: Representation of process control engineering - Requests in<br />

P&I diagrams and data ex-change between P&ID tools and PCE-CAE tools,<br />

International Electrotechnical Commission, Geneve, 2008<br />

[3] ifak: Innovative Automatisierungsstrukturen durch Domänen-übergreifenden<br />

Informationszugriff (INVASIF), Abschlussbericht, BMWi – Industrielle<br />

Vorlaufforschung, Reg.-Nr.: VF081025, 2012<br />

[4] PLCopen: XML Formats for IEC 61131-3, Technical Paper - PLCopen<br />

Technical Committee 6 Rel. 2.01, 2009<br />

[5] PNO: Profile for Process <strong>Automation</strong>, V. 302. http://www.profibus.com/,<br />

eingesehen 2010<br />

[6] Lüder, A., Riedl, M., Drath, R., Heines, B., Niggemann, O.: Austausch von<br />

Entwurfsdaten <strong>für</strong> Kommunikationssysteme mit Hilfe von <strong>Automation</strong>ML.<br />

In: Tagungsband AUTOMATION 2013, S. 355-360. VDI 2013<br />

[7] IEC 62714: Engineering data exchange format for use in industrial<br />

automation systems engineering - <strong>Automation</strong> Markup Language,<br />

International Electrotechnical Commission. Geneve, 2013<br />

[8] Tanenbaum, A.: Computernetzwerke. Pearson, 2003<br />

[9] Bauch, R., Beer, Th.: Netzwerke – Grundlagen. Herdt-Verlag, 2004<br />

[10] Riedl, M., Zipper, H., Meier, M., Diedrich, C.: Cyber-physical systems alter<br />

automation architectures. Annual Reviews in Control 38(1), S. 123-133, 2014<br />

[11] Broy, M.: Cyber-Physical Systems - Innovation durch softwareintensive<br />

eingebettete Systeme. Springer, 2010<br />

[12] Z., Langari, R., Trefler: Formal Modeling of Communication<br />

Protocols By Graph Transformation. In: Proc. 7th Int. Conf.<br />

Integrated Formal Methods, IFM 2009. S. 261-276. Springer 2009<br />

[13] A. Lüder, P. Kretschmer, L. Hundt, M. Hoffmann: Mobile Netzwerkanalyse<br />

in Ethernet basierten Industrienetzen. In: Tagungs band SPS/<br />

IPC/Drives Kongress 2011, S. 55-63. S. 55-63. VDE-Verlag, 2011<br />

[14] G. Juanole, B. Algayres, J. Dufau: On Communication Protocol<br />

Modelling and Design. In: G. Rozenberg (Ed.) Advances in Petri<br />

nets, S. 267-287. Springer 1984<br />

[15] N. de Wet: Model Driven Communication Protocol Engineering<br />

and Simulation based on Performance Analysis Using UML 2.0,<br />

PhD Thesis, University of Cape Town, South Arfica, 2004<br />

[16] F. Klasen, V. Oestreich, M. Volz: Industrielle Kommunikation<br />

mit Feldbus und Ethernet. VDE-Verlag, 2010<br />

[17] B. Reißenweber: Feldbussysteme in der industriellen<br />

Kommu nikation. Oldenbourg Industrieverlag, 2009<br />

[18] <strong>Automation</strong>ML e.V.: Whitepaper <strong>Automation</strong>ML Part 5 –<br />

Com munication, Oktober 2014, www.automationml.org<br />

[19] Kagermann H., Wahlster W., Helbig J.: Umsetzungsempfehlungen<br />

<strong>für</strong> das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 – Deutschlands Zukunft als<br />

Industriestandort sichern. Forschungsunion Wirtschaft und<br />

Wissenschaft, Arbeitskreis Industrie 4.0, 2013,<br />

http://www.plattform-i40.de/sites/default/files/Abschlussbericht_Industrie4%200_<br />

barrierefrei.pdf, letzter Zugriff Sep. 2014<br />

50<br />

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

11 / 2014


Typen sind in der Interface-Bibliothek formuliert. Darauf<br />

aufbauend lassen sich die üblicherweise genutzten physikalischen<br />

Geräte oder die entsprechenden logischen<br />

Geräte und Verbindungen in der SystemUnit-Bibliothek<br />

modellieren. Die auf Basis der genannten Bibliotheken<br />

modellierte Anlage inklusive der Kommunikationsbeziehungen<br />

und auszutauschenden Daten ist in der Instanzhierarchie<br />

der Anlage hinterlegt. Ausführlich wurde<br />

die Abbildung in [6] dargestellt, worin ein Zwischenstand<br />

der Spezifikationsarbeiten vorgestellt und explizit<br />

die <strong>Automation</strong>ML-Modellierung behandelt wird.<br />

Basierend auf den Grundelementen des abstrakten<br />

Kommunikationsmodells lassen sich konkrete Typen<br />

von Automatisierungs geräten, Infrastrukturkomponenten<br />

wie Switches, Gateways oder auch die zur Kommunikation<br />

genutzten Kabel, deren Güteparameter, Steckertypen,<br />

Terminierung ableiten. Hierbei kommen<br />

dann die <strong>für</strong> die spezifische Ausprägung relevanten<br />

Attribute ins Spiel, die über die Standard mechanismen<br />

von CAEX modelliert und dann benutzt werden können.<br />

ZUSAMMENFASSUNG<br />

Die in der Arbeitsgruppe entwickelte Methode stellt eine<br />

umfangreiche Möglichkeit dar, Kommunikationsaspekte<br />

mit Hilfe von <strong>Automation</strong>ML abzubilden und damit unterschiedlichen<br />

Werkzeugen im Entwurfsprozess der Anlage<br />

verfügbar zu machen. Die im Beitrag dargestellte<br />

Herangehensweise soll sicherstellen, dass Lösungen zur<br />

Modellierung den Anwendungsfällen entsprechen und<br />

erst in einem zweiten Schritt die Überführung in ein Austauschformat<br />

erfolgt. Ohne die konkreten Sprachelemente<br />

von <strong>Automation</strong>ML im Beitrag zu nutzen, wurde übersichtlich<br />

gezeigt, wie sich Kommunikationsaspekte modellieren<br />

und <strong>für</strong> unterschiedliche Einsatzfälle (hier zyklische<br />

und azyklische Kommunikation) umsetzen lassen.<br />

Erste Anwendungen der Methode werden derzeit im<br />

Rahmen der Werkzeugkette von Mechanikkonstruktion<br />

(Automatisierungsgerätedefinition), Elektrokonstruktion<br />

(Netzwerkverkabelung), Steuerungs progammierung<br />

(Entwurf der Gerätekonfiguration) und virtueller Inbetriebnahme<br />

(Nutzung der Gerätekonfiguration) durch<br />

die Mitglieder des <strong>Automation</strong>ML e.V. erarbeitet. Bei<br />

Erfolg ist eine Ausweitung auf den gesamten Lebenszyklus<br />

eines Kommunikationssystems zu erwarten.<br />

Parallel dazu erfolgt die Überführung der erarbeiteten<br />

Ergebnisse in die internationale Normung im Rahmen<br />

der Standardserie IEC 62714 [7]. Hier wird die<br />

Kommunikationsmodellierung als Teil 5 in den Standard<br />

aufgenommen.<br />

Dabei bettet sich dieser Standardisierungsteil in ein<br />

größeres Standardisierungsvorhaben ein. Gemeinsam<br />

mit PLCopen und OPC Foundation arbeitet der <strong>Automation</strong>ML<br />

– und damit die Autoren – an einer Methode<br />

zur konsistenten Darstellung der Informationsübertragung<br />

und Informationsverarbeitung innerhalb von Fabrikautomationssystemen.<br />

Dies könnte in Zukunft entspechenden<br />

Bedarf im Rahmen von Industrie-4.0-Systemen<br />

decken [19].<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

29.01.2014<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

AUTOREN<br />

Dr.-Ing. MATTHIAS RIEDL (geb. 1967) leitet das<br />

Geschäftsfeld IKT & <strong>Automation</strong> am ifak. Er ist<br />

aktiv auf den Gebieten der Fachsprachen, der<br />

Geräteintegration und verteilter Steuerungssysteme.<br />

Institut <strong>für</strong> <strong>Automation</strong> und Kommunikation Magdeburg,<br />

D-39106 Magdeburg,<br />

Tel. +49 (0) 391 990 14 60,<br />

E-Mail: matthias.riedl@ifak.eu<br />

Dipl-Ing. BENNO HEINES (geb. 1968) arbeitet<br />

bei der Phoenix Contact Electronics GmbH<br />

und ist Gruppenleiter in der Softwareent -<br />

wicklung der Business Unit Control Systems.<br />

Phoenix Contact Electronics GmbH,<br />

D-31812 Bad Pyrmont,<br />

Tel. +49 (0) 5261 937 38 07,<br />

E-Mail: bheines@phoenixcontact.com<br />

apl. Prof. Dr.-Ing. habil. ARNDT LÜDER (geb. 1968)<br />

vertritt das Lehr- und Forschungsgebiet Fabrikautomation<br />

an der Fakultät Maschinenbau der<br />

Otto-von-Guericke Universität Magdeburg. Er<br />

arbeitet auf dem Gebiet der Verbesserung von<br />

Entwurfsprozessen <strong>für</strong> Produktionssysteme unter<br />

Nutzung verbesserter Architekturen und Entwurfswerkzeuge<br />

inbesondere <strong>für</strong> Steuerungssysteme.<br />

Otto-von-Guericke Universität,<br />

D-39106 Magdeburg,<br />

Tel. +49 (0) 391 675 18 26,<br />

E-Mail: arndt.lueder@ovgu.de<br />

Dr.-Ing. RAINER DRATH (geb. 1970) ist<br />

Senior Principal Scientist am Forschungszentrum<br />

Deutschland der ABB AG in<br />

Ladenburg.<br />

Er beschäftigt sich mit der Entwicklung<br />

neuer Konzepte und Methoden zur<br />

Verbesserung des Engineering von<br />

Automatisierungssystemen.<br />

ABB Forschungszentrum Ladenburg,<br />

Wallstadter. Str. 59,<br />

D-68526 Ladenburg,<br />

E-Mail: rainer.drath@de.abb.com<br />

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

11 / 2014<br />

51


HAUPTBEITRAG<br />

Wissensbasierte Auswahl<br />

von Prinziplösungen<br />

Geeignete Messverfahren automatisch finden<br />

Die Auswahl geeigneter Prinziplösungen <strong>für</strong> Mess- und Stellaufgaben erfordert<br />

Spezialwissen, das nicht jeder Planer einer Anlage hat, zumal mit dem technologischen<br />

Wandel die Einsatzgrenzen bekannter Verfahren verschoben und neue<br />

Prinziplösungen erdacht werden. Bisherige papierbasierte herstellerneutrale Unterstützungen,<br />

wie Bücher oder Richtlinien, veralten daher schnell. Im Beitrag<br />

wird ein wissensbasiertes System vorgestellt, dessen Wissensbasis sich leicht durch<br />

Expertengremien an den aktuellen Stand der Technik anpassen lässt. Das System<br />

wurde bereits erfolgreich <strong>für</strong> die Auswahl von Durchflussmessverfahren und Antriebslösungen<br />

eingesetzt.<br />

SCHLAGWÖRTER Gerätespezifikation / Messprinzipien / wissensbasierte Systeme /<br />

Merkmale<br />

Knowledge-based Selection of Solution Principles –<br />

Automatically Finding Suitable Measurement Methods<br />

The selection of suitable principle solutions for measuring and actuating tasks requires<br />

detailed expert-knowledge which is not available for every planning engineer<br />

in the process of plant design. This situation can be made worse if technological<br />

developments introduce new principle solutions or change the scope of existing<br />

solutions. Paper-based, vendor-neutral knowledge-sources such as books or guidelines<br />

rapidly become outdated. This paper introduces a knowledge-based system<br />

which can easily be adapted to the current state of technology by expert groups. The<br />

concept has been used successfully in a case study for the selection of flow measuring<br />

principles and drive principles.<br />

KEYWORDS device specification / principles of measurement / knowledge based<br />

systems / properties<br />

52<br />

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

11 / 2014


MAIK RIEDEL, ALEXANDER FAY, Helmut-Schmidt-Universität Hamburg<br />

Die Aufgabenstellung der Spezifikation und<br />

Auswahl von Mess- und Stellgeräten findet<br />

im Rahmen der Anlagenplanung und -modernisierung<br />

innerhalb des Planungsprozesses<br />

<strong>für</strong> die Prozessleittechnik (PLT) statt.<br />

Grundsätzlich muss dabei eine geeignete technische<br />

Ressource gefunden werden, mit der die Aufgabenstellung<br />

(zum Beispiel Durchfluss messen) unter den spezifischen<br />

Anforderungen, die sich vor allem aus der<br />

späteren Einsatzumgebung ergeben, zuverlässig erfüllt<br />

werden kann. Zu berücksichtigen sind dabei prozessbedingte<br />

Anforderungen, die sich aus den Bedingungen<br />

vor Ort (wie Einbaulage und Umwelteinflüsse)<br />

und aus den Eigenschaften des Prozessmediums (beispielsweise<br />

Dichte und Viskosität) ergeben und vor<br />

allem technologische Anforderungen an Messprinzip<br />

und Gerät stellen. Andere Aspekte betreffen zum Beispiel<br />

die Integration des Geräts in die Automatisierungsstruktur<br />

der Anlage und weitere lebenszyklusrelevante<br />

Eigenschaften.<br />

Nach der möglichst vollständigen und korrekten Erfassung<br />

der Anforderungen steht der Planungsingenieur<br />

in der Phase der Basisplanung vor der Herausforderung,<br />

den Typ der technischen Ressource weiter zu<br />

konkretisieren. Dabei wird er mit einem meist sehr<br />

großen und unübersichtlichen Lösungsraum möglicher<br />

Prinziplösungen (beispielsweise <strong>für</strong> eine Messaufgabe<br />

geeignete Messprinzipien) konfrontiert. Die Anzahl am<br />

Markt verfügbarer Geräte ist noch um ein Vielfaches<br />

größer. Die richtige Auswahl in diesem großen Lösungsraum<br />

unter Berücksichtigung vieler Anforderungskriterien<br />

erfordert immer Expertenwissen und<br />

zumeist jahrelange Erfahrung in diesem Bereich, wie<br />

[1] und [2] betonen.<br />

Die Tatsache, dass diese Aufgabenstellung innerhalb<br />

der Anlagenplanung sehr häufig, weil <strong>für</strong> jede PLT-<br />

Stelle, auftritt, vermindert nicht die Herausforderungen<br />

jeder Einzelspezifikation, macht aber die Bedeutung<br />

dieser Engineeringaufgabe <strong>für</strong> den Gesamtaufwand<br />

und die Qualität des Planungsergebnisses deutlich. In<br />

den Abschnitten 1 bis 6 dieses Beitrags wird diese Problematik<br />

am Beispiel der Wahl von Durchflussmessverfahren<br />

diskutiert, sowohl Problem als auch Lösung sind<br />

aber universell <strong>für</strong> Mess- und Stellaufgaben, wie<br />

schließlich durch Übertragung auf die Auswahl von<br />

Antrieben dargelegt wird.<br />

1. STATUS QUO UND DEFIZITE<br />

Bei der Suche nach einem geeigneten Messprinzip<br />

oder Messgerät <strong>für</strong> die jeweils spezifischen Anforderungen<br />

können verschiedene Wissensquellen herangezogen<br />

werden, die sich hinsichtlich Aktualität,<br />

Qualität, Zugänglichkeit, Neutralität, Formalisierung<br />

und Strukturierung beziehungsweise Standardisierung<br />

unterscheiden. Die meisten Quellen sind Gerätehersteller-bezogen.<br />

Insbesondere rechnergestützte<br />

Möglichkeiten, wie datenbankbasierte Konfiguratoren,<br />

sind stark proprietär und anbieterspezifisch<br />

bezüglich der Formulierung von Anforderungen, der<br />

Nutzerkommunikation und der vorgeschlagenen Lösungen<br />

und zudem, hinsichtlich der Ergebnisfindung,<br />

nicht selbsterklärend. Eine herstellerneutrale, richtlinienbasierte<br />

Lösung wie die Softwareapplikation<br />

zur Richtlinie VDI 2644 [3] (siehe Bild 1) trennt nicht<br />

Wissen und Wissensverarbeitung und ist daher<br />

schwer pflegbar, verliert somit schnell Akzeptanz und<br />

praktische Relevanz.<br />

Wissensbasierte Ansätze bieten durch die strukturelle<br />

Trennung von Wissen und Wissensverarbeitung<br />

[20] ein großes Potenzial, bauen ihre Wissensbasis aber<br />

zu oft auf Gerätedaten und damit wieder auf proprietärem<br />

Wissen einzelner Anbieter auf. Der Aufwand<br />

beim Versuch, Geräte mehrerer Hersteller abzudecken,<br />

wird dann sehr groß. Andere wissensbasierte Systeme<br />

sind auf sehr spezifische Problemstellungen zugeschnitten<br />

[21], ihre Anwendung ist daher schlecht bis<br />

gar nicht übertragbar. Zudem ist bei den bisherigen<br />

Entwicklungen (zum Beispiel [4, 5]) die Arbeit mit unvollständiger<br />

Information problematisch und führt zu<br />

sehr stark eingeschränkten oder gar keinen Lösungen<br />

im Auswahlprozess. Herstellerneutrales, aktuelles Wissen<br />

in strukturierter, möglichst sogar formalisierter<br />

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

11 / 2014<br />

53


HAUPTBEITRAG<br />

und damit rechnerinterpretierbarer Form, ist in der<br />

Praxis bisher nicht verfügbar.<br />

Bei der Bearbeitung der komplexen Aufgabenstellung<br />

haben sich in der Praxis daher folgende typische Vorgehensweisen<br />

entwickelt:<br />

Verlagerung der Auswahlkompetenz zum Hersteller<br />

(ein oder mehrere Hersteller werden beauftragt,<br />

aus ihrem Portfolio passende Geräte zu den Anforderungen<br />

des Planers vorzuschlagen).<br />

Begrenzung der Auswahl a priori auf eine bevorzugte,<br />

bewährte Untermenge von Prinzipien/Geräten.<br />

Dies kann intern über Standardgerätelisten<br />

oder extern zum Beispiel über preferred-vendor-<br />

Konzepte gelöst werden. Dadurch wird der mögliche<br />

Lösungsraum künstlich verkleinert.<br />

Direkte Geräteauswahl aus Herstellerkatalogen.<br />

Diese Vorgehensweisen weisen prinzipiell immer eines<br />

oder mehrere der folgenden Defizite auf: fehlende Einheitlichkeit<br />

beziehungsweise Vergleichbarkeit der Entscheidungsgrundlage,<br />

nicht gesicherte Ergebnisreproduzierbarkeit,<br />

Lösungsraumeinschränkung durch proprietäre<br />

Wissensbasen, schwer nachvollziehbare und<br />

dokumentierbare Entscheidungs- und Auswahlprozesse<br />

und gegebenenfalls nicht aktualisierte Wissensquellen.<br />

2. FUNDAMENT EINES NEUEN LÖSUNGSANSATZES<br />

Im Folgenden werden Eckpunkte eines prinzipiellen<br />

Lösungsansatzes aufgezeigt, mit dem den zuvor genannten<br />

Herausforderungen begegnet werden soll.<br />

2.1 Mehrstufiger Spezifikationsprozess<br />

Die in Abschnitt 1 erwähnte häufige Vorgehensweise,<br />

von den Anforderungen an die technische Ressource<br />

direkt auf die konkrete Gerätelösung zu schließen,<br />

bringt diverse Nachteile mit sich. So wird sehr früh im<br />

Prozess ein hohes Produktwissen abverlangt, das in<br />

diesem Abschnitt der Planung (die Auswahl der technischen<br />

Realisierung ist Teil der Basisplanung, nicht<br />

der Detailplanung) nicht relevant oder noch nicht vorhanden<br />

ist. Viele Spezifikationen und Anforderungen<br />

an das Gerät sind zudem im weiteren Planungsprozess<br />

Änderungen unterworfen (weitaus mehr als die technologischen<br />

Grundbedingungen). Die notwendige Beschränkung<br />

des Lösungsraums führt dazu, dass mit<br />

hoher Wahrscheinlichkeit nicht die unter den gegebenen<br />

Bedingungen optimale Auswahl der Geräte getroffen,<br />

sondern zumeist die erstbeste Lösungsmöglichkeit<br />

verfolgt wird [6].<br />

Daher sollte die Spezifikation in mehreren Stufen<br />

von der prinzipiellen Aufgabe (Funktion) der technischen<br />

Ressource über sukzessive Konkretisierungsschritte<br />

(Auswahl/Eingrenzung von Lösungen) zur<br />

konkreten gerätetechnischen Realisierung verlaufen.<br />

Der erste Schritt sollte dabei zunächst die Auswahl<br />

einer technologischen Prinziplösung sein – bei Sensoren<br />

ist dies das Messprinzip. Basierend darauf kann<br />

die Spezifizierung später in weiteren Schritten unter<br />

dem Fokus anderer Aspekte (zum Beispiel Kommunikationsmittel,<br />

Sicherheit, Montage) verfeinert werden.<br />

Dadurch können Teilentscheidungen und Eingrenzungen<br />

des Lösungsraums, jeweils angepasst an die<br />

zum Planungszeitpunkt vorliegende Information, getroffen<br />

werden. Die Information über Bedingungen am<br />

Einsatzort, Prozessparameter und Messstoffeigenschaften<br />

leitet sich im Normalfall aus der verfahrenstechnischen<br />

Planung und deren Dokumenten ab und<br />

steht daher schon während der PLT-Basisplanung zur<br />

Verfügung. Auf dieser Basis lassen sich bereits geeignete<br />

Prinziplösungen eingrenzen und gegebenenfalls<br />

technologische Machbarkeitsprobleme oder Unplausibilitäten<br />

identifizieren. Die schrittweise Konkretisierung<br />

verhindert so die zu frühe Festlegung auf eine<br />

technische Ressource und bietet damit die Chance,<br />

alternative Lösungen zuzulassen [7].<br />

2.2 Wissensbasierte Rechnerunterstützung<br />

Es liegt nahe, die beschriebene Aufgabenstellung der<br />

Auswahl von Prinziplösungen rechnergestützt durchzuführen.<br />

Insbesondere, da es sich um eine komplexe,<br />

oft wiederkehrende Engineeringaufgabe handelt, bei<br />

der die manuelle Bearbeitung großen (Zeit-)Aufwand<br />

verursacht und beträchtliches Fehlerpotenzial beinhaltet.<br />

Eine einheitliche Basis <strong>für</strong> Kommunikation und<br />

Dokumentation unter den Projektbeteiligten ist eine<br />

nützliche und notwendige Begleiterscheinung [7]. Da<br />

die Information über prozessbedingte Anforderungen<br />

typischerweise in CAE-Planungswerkzeugen vorliegt,<br />

kann die rechnergestützte Auswertung im Idealfall direkt<br />

darauf zugreifen.<br />

Großes Potenzial bieten hierbei die Konzepte und<br />

Technologien der wissensbasierten Systeme (WBS) [8],<br />

die ihre Möglichkeiten in Auswahl- und Entscheidungsproblemen<br />

im Engineering (wie in [9], [4-5]) bereits<br />

ansatzweise gezeigt haben. WBS sind computerbasierte<br />

Systeme, die Wissen in beschränkten Wissensgebieten<br />

abbilden und – ähnlich menschlichen Experten<br />

– nach Problemlösungsmustern entsprechend<br />

anwenden. Durch die konsequente Trennung von<br />

Wissensbasis und Wissensverarbeitung eignen sie sich<br />

<strong>für</strong> die Abbildung spezifischen Problemwissens und<br />

die gleichzeitige Bereitstellung einer anwendungsunabhängigen<br />

Problemlösungskomponente [10]. Wissenspflege<br />

und -ergänzung sowie Erklärungsfähigkeit gehören<br />

zum Basiskonzept der WBS-Technologie und<br />

unterstützen bei der Etablierung einer Anwendung <strong>für</strong><br />

die Auswahlunterstützung und Wissenskonservie-<br />

54<br />

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

11 / 2014


ung. Weitere qualitative Nutzeffekte werden in [11]<br />

beschrieben. Eine vertiefende Darstellung von WBS<br />

gibt zum Beispiel [12]. Unterschiedliche Formen von<br />

WBS haben sich vor allem im Hinblick auf die jeweils<br />

genutzte Wissensrepräsentation gebildet. So wird grob<br />

zwischen Fall-, Logik-, Regel- und Constraint-basierten<br />

WBS [12, 18] unterschieden. In vielen Problemfällen<br />

ist eine mächtige Wissensrepräsentation jedoch nur<br />

durch die Kombination verschiedener Formalismen zu<br />

erreichen. Folgerichtig haben sich vermehrt hybride<br />

Systeme entwickelt [18]. Eine weitere Möglichkeit der<br />

Klassifikation der WBS besteht hinsichtlich ihrer Anwendungsbereiche<br />

und Problemklassen. Diesbezüglich<br />

wird unter anderem zwischen Konfigurierung,<br />

Planung, Simulation und Diagnose unterschieden.<br />

Letztere wird oft im Zusammenhang mit Selektion und<br />

Klassifikation erwähnt. Die Übergänge zwischen diesen<br />

Kategorien sind fließend und erschweren meist<br />

eine klare Einordnung. Einen Überblick über erfolgreiche<br />

Anwendungsbeispiele wissensbasierter Systeme,<br />

speziell im Kontext des Engineerings der Automatisierungstechnik,<br />

liefert [10].<br />

2.3 Konsenswissen als Grundlage<br />

Das <strong>für</strong> eine adäquate Bewältigung der Messprinzipienauswahl<br />

benötigte Wissen ist eindeutig Expertenwissen.<br />

Um eine neutrale und möglichst umfassende<br />

Wissensbasis zu schaffen, muss das Wissen und die<br />

Erfahrung vieler Experten aus verschiedenen Perspektiven<br />

(sowohl die der Hersteller als auch die der Betreiber)<br />

zusammengetragen und konsensual vereint werden.<br />

Eine Plattform da<strong>für</strong> bieten Experten-/Normungsgremien<br />

und fachliche Arbeitskreise wie der VDI/<br />

VDE-GMA-Fachausschuss 2.40 Durchflussmesstechnik<br />

<strong>für</strong> Volumen und Masse. Die technischen und organisatorischen<br />

Rahmenbedingungen vorausgesetzt, bietet<br />

die Nutzung von Experten-Konsenswissen dabei signifikante<br />

Vorteile: vorwettbewerbliche Neutralität, Qualität<br />

und Vollständigkeit („Die Beteiligung einer Vielzahl<br />

von Experten erhöht die Breite und Tiefe der<br />

Systemabbildung und fördert die Qualität und die<br />

Vollständigkeit des abgebildeten Wissens.“ [13]), Aktualität<br />

sowie Akzeptanz (innerhalb der Expertengemeinschaft<br />

und darüber hinaus).<br />

In eine auf Konsens gebildete, neutrale Wissensbasis<br />

geht proprietäres, spezifisches Gerätewissen durch den<br />

Prozess der Wissensbildung abstrahiert und daher nur<br />

indirekt ein. Angereichert mit Erfahrungswissen, zum<br />

Beispiel aus der Anwendung, und Grundlagenwissen,<br />

sagt das Experten-Konsenswissen primär etwas über die<br />

allgemeine Verwendbarkeit und Einsetzbarkeit von Messprinzipien<br />

beziehungsweise bestimmten Bauformen<br />

aus. Damit wird diese Wissensquelle auch der in Abschnitt<br />

2.1 formulierten Forderung gerecht, umsetzungsneutrale<br />

Prinziplösungen in der Planung auszuwählen,<br />

die dann im Weiteren spezifiziert werden können.<br />

Zusammengefasst besteht der Lösungsansatz aus einer<br />

rechnergestützten, wissensbasierten Auswahl von<br />

Prinziplösungen auf Basis von Experten-Konsenswissen<br />

im Rahmen eines mehrstufigen Spezifikationsprozesses.<br />

BILD 1: Bedienerschnittstelle<br />

der<br />

Software zur<br />

Richtlinie VDI 2644<br />

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

11 / 2014<br />

55


HAUPTBEITRAG<br />

3. FORMULIERUNG VON ANFORDERUNGEN<br />

Auf Basis der in Abschnitt 2 beschriebenen prinzipiellen<br />

Eckpunkte werden im Folgenden Anforderungen<br />

an die konkrete Lösung und eine damit verbundene<br />

Umsetzung formuliert.<br />

3.1 HERAUSFORDERUNGEN DES ABZUBILDENDEN<br />

WISSENS<br />

Experten-Konsenswissen ist kein Wissen über einzelne<br />

Geräte, sondern Typwissen, zum Beispiel über die<br />

grundsätzlichen Einsatzgrenzen eines jeden Messprinzips<br />

(wie von Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessung<br />

oder Coriolis-Massemessung). Bezüglich eines<br />

einzelnen Kriteriums (zum Beispiel Prozesstemperatur<br />

oder Viskosität) hat ein Messprinzip typischerweise<br />

eine Unter- und eine Obergrenze. Der mögliche Temperatur-<br />

beziehungsweise Viskositätsbereich bildet damit<br />

ein Intervall auf der Skala dieses Kriteriums. Werden<br />

nun mehrere voneinander unabhängige Kriterien als<br />

Dimensionen eines Koordinatensystems betrachtet, so<br />

lässt sich der Lösungsraum als Quader in den Dimensionen<br />

der Beschreibungsmerkmale mit deren zulässigen<br />

Ausprägungen auffassen (blauer Lösungsraum in<br />

Bild 2). Bei höherdimensionalen Problemen (mehr als<br />

3 beteiligte Kriterien) ist diese räumliche Darstellung<br />

allerdings unzweckmäßig.<br />

Die Besonderheit bei Typwissen ist, dass zwischen<br />

den Beschreibungsmerkmalen Abhängigkeiten auftreten<br />

können, zum Beispiel ist die Obergrenze <strong>für</strong> die<br />

Temperatur meist nicht unabhängig von der Obergrenze<br />

des Drucks. Eine beispielhafte räumliche Vorstellung<br />

<strong>für</strong> den sich ergebenden Lösungsraum im Fall<br />

einer quadratischen Abhängigkeit zwischen den Kriterien<br />

A und C zeigt der rot umrandete Raum in Bild 2.<br />

Die Abhängigkeiten sind Relationen zwischen den<br />

Merkmalsausprägungen und können in verschiedenen<br />

Formen (zum Beispiel Wenn-dann-Beziehungen, funktionale<br />

Abhängigkeiten a=b²+c) auftreten. Beispiele<br />

hier<strong>für</strong> sind die Beziehung zwischen Nennweite und<br />

Nenndruck (als Treppenkurve in Bild 2 rechts oben)<br />

oder die Beziehung zwischen Prozesstemperatur und<br />

Prozessdruck (Bild 2 rechts unten). Darüber hinaus<br />

können mehrdimensionale Relationen zwischen mehr<br />

als zwei beteiligten Merkmalen auftreten. Somit kann<br />

ein komplexes Netz aus Zusammenhängen zwischen<br />

verschiedensten Beschreibungsmerkmalen entstehen.<br />

Um den heterogenen Charakteristika der Beschreibungsmerkmale<br />

gerecht zu werden, ist eine Skalenniveau-adäquate<br />

Abbildung (Nominal-, Ordinal-, Rational-,<br />

Intervallskala) und Behandlung der Merkmale<br />

Grundvoraussetzung <strong>für</strong> die Wissensabbildung. Viele<br />

Ansätze (wie [4] und [9]) haben diesem Punkt in der<br />

Vergangenheit keine Rechnung getragen und meist<br />

über Transformation oder Normierung der Merkmalsausprägungen<br />

Vereinfachungen getroffen. So werden<br />

teilweise niedrigere Skalenniveaus verwendet als der<br />

Charakteristik des Merkmals angemessen wäre. Zum<br />

Beispiel werden boolsche Ja/Nein-Ausdrücke (Nominalskala)<br />

<strong>für</strong> eigentlich metrisch (Rational-/Intervallskala)<br />

skalierbare Ausprägungen verwendet. Eine<br />

umfassende, adäquate Abbildung von Typwissen kann<br />

nur durch die korrekte Berücksichtigung von Abhängigkeiten<br />

zwischen den beschreibenden Merkmalen<br />

und von merkmalsspezifischen Eigenschaften (wie<br />

Skalenniveau) erreicht werden.<br />

3.2 Abbildung und Verarbeitung des Wissens<br />

Eine Trennung von Wissen und seiner Verarbeitung ist<br />

obligatorisch und daher eine grundsätzliche Anforderung<br />

– nur so kann eine flexible und unabhängige Pflege<br />

des Wissens gewährleistet und dem Anspruch an<br />

eine einfache Aktualisierungsmöglichkeit Rechnung<br />

getragen werden.<br />

Unvollständig spezifizierte Anforderungsdaten sind<br />

Normalität. Eine künftige Lösung muss daher den Umgang<br />

mit unvollständiger Information beherrschen und<br />

dem Nutzer auf Basis bereits vorhandener Information<br />

bestmögliche Unterstützung bieten. Dies bedeutet, dass<br />

die verbleibenden Restlösungsräume aufgezeigt werden<br />

und dem Nutzer mitgeteilt wird, welche der fehlenden<br />

Auswahlkriterien kritisch sind <strong>für</strong> die Frage der Eignung<br />

des jeweiligen Messprinzips.<br />

Die bestehenden, meist regelbasiert aufgebauten<br />

Ansätze verfolgen eine festgelegte Reihenfolge bei der<br />

Abarbeitung der Auswahlkriterien. Nachteile ergeben<br />

sich dabei durch eine unflexible Auswertungsreihenfolge<br />

und das frühzeitige Ausschließen suboptimaler<br />

Lösungen. Häufig ergeben sich im Planungsprozess<br />

Anpassungen der Anforderungsdaten – vorher nicht<br />

geeignete Lösungen können dadurch wieder geeignet<br />

werden. Eine flexible und problemangepasste Abarbeitung<br />

der Auswahlkriterien, die den Lösungsraum<br />

nicht vorzeitig unangemessen verkleinert, ist daher<br />

anzustreben.<br />

Da sich die <strong>für</strong> die Auswahl relevanten Kriterien vor<br />

allem auf die Prozessbedingungen (Eigenschaften des<br />

zu messenden Mediums und Verhältnisse am Einbauort)<br />

beziehen, die in vorangegangenen Planungsschritten<br />

von der Verfahrenstechnik und Rohrleitungsplanung<br />

festgelegt wurden, liegt es nahe, auf entsprechenden<br />

Merkmalen, die zur Beschreibung von technischen<br />

Objekten definiert wurden, als<br />

Informationsträger zu arbeiten. Mit Ziel einer einheitlichen<br />

Semantik und im Hinblick auf die Zusammenarbeit<br />

mit anderen CAE-Systemen – ganz im Sinne des<br />

in [14] formulierten Merkmalsprinzips – sollten dabei<br />

möglichst anerkannte Standards zur Beschreibung<br />

von Merkmalen wie IEC 61360 und ISO 13584-42 herangezogen<br />

werden.<br />

56<br />

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

11 / 2014


Lösungsraum mit<br />

unabhängigen<br />

Kriterien<br />

A<br />

Lösungsraum mit<br />

abhängigen Kriterien<br />

Nenndruck<br />

[bar]<br />

100<br />

40<br />

16<br />

C<br />

300 600 2000<br />

Nennweite<br />

[mm]<br />

B<br />

Anforderungsraum<br />

p<br />

BILD 2: Lösungs räume<br />

und Abhängigkeiten<br />

T<br />

3.3 Anforderungen an die Wissenspflege<br />

Durch ständigen Aktualisierungsbedarf ist die Wissenspflege<br />

eine selbstverständliche und notwendige<br />

Komponente wissensbasierter Systeme. Erstellung und<br />

Editieren einer Wissensbasis sollte dabei möglichst intuitiv<br />

sein (zum Beispiel durch grafische, visuelle Darstellung)<br />

und darf kein Spezialwissen über Aufbau oder<br />

Funktion des WBS voraussetzen. Zudem muss die Einhaltung<br />

definierter Strukturregeln beziehungsweise<br />

eines Metamodells durch eine weitestgehend automatische<br />

syntaktische und semantische Konsistenzprüfung<br />

in der Wissens-Erwerbs- und -Pflegekomponente<br />

gewährleistet werden.<br />

3.4 Anforderungen an grundsätzliche Funktionalitäten<br />

Erklärungsfähigkeit: Systeme, die menschliche Entscheidungs-<br />

oder Auswahlprozesse unterstützen, müssen<br />

ihre Ergebnisfindung begründen können, um Akzeptanz<br />

zu erlangen. Zusätzlich muss dem Nutzer bei<br />

der Verwendung und Interpretation des Ergebnisses,<br />

zum Beispiel durch das Aufzeigen möglicher Lösungsräume<br />

oder kritischer Faktoren <strong>für</strong> die Gültigkeit einer<br />

Lösung, Hilfestellung gegeben werden.<br />

Dokumentation: Die Ergebnisse des Auswahlprozesses<br />

müssen strukturiert und vollständig dokumentiert<br />

werden, sodass sie belastbarer Bestandteil einer<br />

Projektdokumentation werden können.<br />

Interoperabilität: Das Werkzeug sollte sich durch<br />

standardisierte Schnittstellen in eine CAE-Werkzeugkette<br />

einfügen können, um Informationsbrüche im Engineeringprozess<br />

zu vermeiden.<br />

Domänenunabhängigkeit: Konzept und Umsetzung<br />

sollten <strong>für</strong> die Behandlung von verschiedenen Auswahlproblemen<br />

einsetzbar sein. Dadurch können Synergien<br />

geschaffen und die Akzeptanz <strong>für</strong> ein solches<br />

Konzept domänenübergreifend gefördert werden.<br />

4. WISSENSBASIERTE AUSWAHL VON PRINZIPLÖSUNGEN<br />

Hinsichtlich der in Abschnitt 2.2 vorgestellten Kategorisierung<br />

von wissensbasierten Systemen ordnet sich der<br />

im Beitrag vorgestellte Ansatz in den Bereich der Diagnose<br />

ein. Die analytische Lösungssuche und -bewertung<br />

lässt sich am ehesten den dort meistgenutzten Aufgaben<br />

Selektion und Klassifikation zurechnen. Vom Aspekt der<br />

Wissensrepräsentation betrachtet, handelt es sich um<br />

einen hybriden Ansatz, da regelbasierte und Constraintbasierte<br />

Elemente enthalten sind. Darüber hinaus werden<br />

objektorientierte Prinzipien (frame-ähnlich) und netzartige<br />

Strukturen (ähnlich semantischen Netzen) genutzt.<br />

4.1 Merkmale und Lösungsräume<br />

Wie in Abschnitt 3.1 angedeutet, geht es bei der Eignungsprüfung<br />

einer Prinziplösung um den Abgleich<br />

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

11 / 2014<br />

57


HAUPTBEITRAG<br />

zweier Lösungsräume. Dabei wird die Problemstellung<br />

durch den Anforderungsraum (in Bild 2 grün dargestellt)<br />

und die zu bewertende Lösungsvariante durch<br />

den Zusicherungsraum (in Bild 2 blau beziehungsweise<br />

rot dargestellt) beschrieben. Der Begriff Zusicherungsraum<br />

wird im Beitrag <strong>für</strong> den Lösungsraum der<br />

Prinziplösung verwendet. Er beschreibt die mehrdimensionale<br />

Menge der Merkmalsausprägungen, die<br />

von der Prinziplösung zugesichert werden können. In<br />

Abgrenzung davon wird der Begriff Anforderungsraum<br />

<strong>für</strong> die entsprechende Menge der Merkmalsausprägungen<br />

verwendet, die der Nutzer beziehungsweise<br />

der Prozess als Anforderung an eine mögliche Prinziplösung<br />

stellt. Eine Nichteignung der betrachteten<br />

Lösungsvariante liegt vor, wenn der Anforderungsraum<br />

nicht vollständig vom Zusicherungsraum umschlossen<br />

wird und damit die geforderten Eigenschaften<br />

nicht von der Prinziplösung zugesichert werden<br />

können. Die Dimensionen der Räume werden dabei<br />

durch die zum Vergleich herangezogenen Eigenschaften<br />

gebildet. Diese Eigenschaften stellen eine spezifisch<br />

relevante Untermenge der Gesamteigenschaften<br />

von Problem und Lösung dar und können als Auswahlkriterien<br />

bezeichnet werden.<br />

Die Eigenschaften technischer Objekte lassen sich<br />

durch Merkmale und ihre Ausprägungen beschreiben.<br />

Merkmale stellen dabei, insofern strukturiert beschrieben<br />

und möglichst standardisiert, eine semantische<br />

Beschreibungsbasis dar. Im industriellen Umfeld werden<br />

Merkmale vielfältig <strong>für</strong> Objekt- und Produktbeschreibungen<br />

sowie deren Vergleiche genutzt und können<br />

im optimalen Fall die Interoperabilität von Systemen<br />

und Anwendungen absichern [15].<br />

Konkrete technische Objekte (zum Beispiel Durchflusssensor<br />

XY), die durch Merkmale und spezifische<br />

Merkmalsausprägungen beschrieben werden, sind<br />

Merkmalträger. Prinziplösungen, die als abstrakte<br />

Oberklasse von konkreten technischen Realisierungen<br />

gesehen werden können, sind Merkmalträgertypen<br />

(zum Beispiel Magnetisch-Induktive Durchflussmesser).<br />

Merkmalträgertypen können in Klassensystemen<br />

hierarchisch strukturiert und analog zu Produktkatalogen<br />

beispielsweise als Gerätetypen<br />

interpretiert werden. Anhaltspunkte da<strong>für</strong> stellen<br />

etablierte Klassifikationssysteme, wie eCl@ss beziehungsweise<br />

IEC 61987 dar.<br />

Merkmale werden zur Festlegung ihrer Semantik mit<br />

Attributen beschrieben. Grundlagen dazu schaffen<br />

Standards und Normen wie IEC 61360, ISO 13584 und<br />

ISO/IEC 11179. Im Weiteren können Referenzen Bedeutungsbeziehungen<br />

zu Standards wie der DIN 4002 ausdrücken.<br />

Für die Lösungsraumabbildung sind, über<br />

die grundsätzliche Bedeutung des Merkmals hinaus,<br />

weitere Attribute wichtig, die sich auf seine Ausprägung<br />

beziehen. Dazu gehören das Skalenniveau, der<br />

grundsätzliche Wertebereich der Ausprägung (zum<br />

Beispiel reelle Zahlen, spezifische Wertemengen) und<br />

gegebenenfalls eine zugehörige Einheit beziehungsweise<br />

mögliche Einheiten.<br />

4.2 Modellierung und Abbildung<br />

Die Information der erwähnten Merkmalattribute bildet<br />

die Grundlage <strong>für</strong> die Beschreibung des Lösungsraums<br />

in der entsprechenden Dimension. Für eine möglichst<br />

generische und flexible Abbildung werden die dimensionsbildenden<br />

Ausprägungen der Merkmale prinzipiell<br />

als Menge betrachtet. Das kann als Sammlung konkreter<br />

Ausprägungswerte wie [flüssig, gasförmig] bei<br />

Aggregatzustand, aber auch zum Beispiel als Intervall,<br />

gebildet aus Unter- und Obergrenze wie [0 bar…10 bar]<br />

bei Prozessdruck, verstanden werden. Sollen feste Anforderungs-<br />

oder Zusicherungswerte beschrieben werden,<br />

so fallen die Wertebereichsunter- und -obergrenzen<br />

auf dem entsprechenden Wert zusammen (zum<br />

Beispiel Nennweite (Min=Max) = 50 mm). Für die Verarbeitung<br />

kann damit auf Mengen- und Teilmengen<br />

operiert werden. Für eine differenziertere Abbildung<br />

von Merkmalsausprägungen aufeinander ist dabei teilweise<br />

die Repräsentation durch Semi-Intervalle sinnvoll<br />

(zum Beispiel Prozessdruck max. = [… 10 bar]). Das<br />

Merkmal und dessen Semantik und Strukturvorgaben<br />

sowie die damit verbundenen Merkmalsausprägungen<br />

mit den beschriebenen Charakteristika stellen das<br />

Hauptelement des Wissensmodells dar.<br />

Zur Abbildung von Typwissen werden ebenso Modellelemente<br />

benötigt, um die zwischen Merkmalen<br />

beziehungsweise deren Ausprägungen gegebenenfalls<br />

existierenden Abhängigkeiten auszudrücken. Diese<br />

Aufgabe soll das Element Relation übernehmen. Die<br />

Relation als Modellelement muss dabei die konkrete<br />

Verbindung zwischen Merkmalsräumen herstellen<br />

und Information über die Art der Abbildung enthalten.<br />

Die <strong>für</strong> die Spezifizierung der Relation notwendigen<br />

Attribute sind unter anderem beteiligte Relationspartner,<br />

Richtung der Relationswirkung und Relationsinhalt.<br />

Der Relationsinhalt bezeichnet die eigentliche<br />

Abbildungsvorschrift und damit die Art der Abbildung<br />

zwischen den beteiligten Elementen. Die allermeisten<br />

Fälle können von folgenden Relationstypen<br />

beschrieben werden:<br />

Tabellenrelation zur Abbildung von regelhaften<br />

(wenn…, dann…) und kombinatorischen Abhängigkeiten.<br />

Auch geeignet <strong>für</strong> numerische oder<br />

nichtstetige Zusammenhänge wie zum Beispiel<br />

durch Stützpunkte beschriebene Abbildungsvorschriften.<br />

Symbolische Relation: Zur Abbildung von symbolischen<br />

Abbildungsvorschriften und funktionellen<br />

Zusammenhängen, die sich durch Terme, wie mathematische<br />

Gleichungen und Ungleichungen, ausdrücken<br />

lassen.<br />

58<br />

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

11 / 2014


Bei der Erstellung einer Wissensbasis werden Merkmale<br />

aus den benötigten Merkmalklassen abgeleitet<br />

und spezifiziert, das heißt auf Basis der Merkmalsattribute<br />

beschrieben. Wenn benötigt, werden Relationen<br />

spezifiziert und mit den zugehörigen Merkmalen verbunden.<br />

Ein Merkmal kann mit beliebig vielen anderen<br />

Merkmalen verbunden werden. Eine Relation kann<br />

dementsprechend zwei oder mehr Merkmale verbinden.<br />

Im Gesamtmodell bilden sich somit Netzwerke aus<br />

zusammenhängenden Merkmalen. Diese Netzwerke<br />

sind im graphentheoretischen Sinn Bäume. Eine schematische<br />

Darstellung der Wissensbasis als Merkmalnetz<br />

bietet Bild 3.<br />

4.3 Formalisierung<br />

Für eine rechnergestützte Verarbeitung des Wissensmodells<br />

muss dieses geeignet formalisiert und<br />

persis tent gespeichert werden. Für die strukturierte<br />

Ablage von Information hat sich im Engineering der<br />

Automatisierungstechnik die Auszeichnungssprache<br />

XML bewährt [16]. Gerade Merkmalinformation<br />

und Produktbeschreibungen werden zunehmend in<br />

Dokumenten auf Basis von XML abgelegt [17] und im<br />

Sinne des elektronischen Workflows zur Verfügung<br />

gestellt.<br />

Das beschriebene Wissensmodell besteht aus drei<br />

Teilen, die mittels XML formalisiert werden.<br />

Das Merkmalsdictionary beziehungsweise die<br />

Merkmalsbibliothek enthält allgemeine, strukturbeschreibende<br />

Information (Attribute und mögliche<br />

Werte) über zur Verfügung stehende Merkmale<br />

in Form von Klassenwissen (zum Beispiel<br />

Beschreibung der Merkmalklasse Aggregatzustand).<br />

Die Modellelemente der Metaklasse Merkmal<br />

werden somit semantisch beschrieben und<br />

festgelegt.<br />

Der Lösungskatalog enthält die Beschreibung<br />

(Struktur und Eigenschaften) der Prinziplösungen,<br />

die entsprechenden Aufgaben (zum Beispiel Durchflussmessung)<br />

hierarchisch zu- und untergeordnet<br />

sind. Die Semantik der Modellelemente der Metaklassen<br />

Aufgabe und Prinziplösung wird hier beschrieben<br />

und festgelegt.<br />

Die genannten beiden Teile beschreiben und verwalten<br />

die Grundbausteine <strong>für</strong> die Wissensabbildung und sind<br />

im Weiteren der zentrale Zugang zu Information <strong>für</strong><br />

Interpretation, Einordnung und Konsistenzprüfung von<br />

Inhalten der Wissensbasis.<br />

BILD 3: Wissensmodell als Merkmalnetz<br />

Die eigentliche Wissensbasis setzt sich aus jeweils<br />

spezifisch instanziierten Wissenselementen des<br />

Klassenwissens zusammen und enthält damit konkretes<br />

Instanzwissen über die Lösungsräume (spezifizierte<br />

Merkmale, die gegebenenfalls über Relationen<br />

verknüpft sind) der Prinziplösungen.<br />

Erzeugung und Prüfung der Wissensmodellteile erfolgt<br />

intern unter Verwendung eines eigenen Schemas als<br />

Metamodell. Die Schnittstellen nach außen (zum Import<br />

und Export) orientieren sich jedoch am bekannten<br />

und offengelegten Schema von Prolist/eCl@ss.<br />

4.4 Verarbeitung<br />

Die Prüfung, ob der durch die Wissensbasis beschriebene<br />

Zusicherungsraum der Prinziplösung dem Anforderungsraum<br />

gerecht wird, ist nicht trivial. Der<br />

Zusicherungsraum ist ein vieldimensionaler Raum<br />

heterogener Dimensionen (verschiedene Skalierungen<br />

können vorkommen – also zum Beispiel ein nicht<br />

durchweg metrisch affiner Raum), bei dem diese gegebenenfalls<br />

noch in vielfältiger Weise voneinander abhängen.<br />

In der Wissensauswertung wird auf den Wertemengen<br />

(Ausprägungen) der Merkmale gearbeitet.<br />

Da<strong>für</strong> werden die Zusicherungsmengen (Prinziplösung)<br />

unter Berücksichtigung der Anforderungsmengen<br />

(Prozess-/Nutzeranforderung) und den Abbildungsvorschriften<br />

der Relationen manipuliert. Dabei<br />

wird grundsätzlich zwischen dem Definitionsbereich<br />

des Merkmals (Klassenwissen), dem Grundwertebereich<br />

(Instanzwissen in der Wissensbasis) und dem<br />

Lösungswertebereich (abgeleitet durch die Wissens-<br />

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

11 / 2014<br />

59


HAUPTBEITRAG<br />

verarbeitung) unterschieden. Die Wissensverarbeitung<br />

kann grob in die in Bild 4 aufgezeigten Schritte unterteilt<br />

werden.<br />

Nach einer Vorabanalyse und Zerlegung der Wissensbasis<br />

(Analyse und Separierung) in ihre Bestandteile<br />

(Netzwerke) ist es in den nächsten beiden Schritten<br />

das Ziel, den Zusicherungsraum unter Berücksichtigung<br />

der gegebenen Anforderungswerte so stark wie<br />

möglich zu reduzieren. Dazu wird durch jedes der<br />

Merkmalnetze der Wissensbasis propagiert und Dimension<br />

<strong>für</strong> Dimension sukzessive durch die Ausführung<br />

der in den Relationen geforderten Abbildungsvorschriften<br />

reduziert (Propagation). Um Rückwirkungen<br />

und lokal entstehende Inkonsistenzen auszugleichen,<br />

werden alle Änderungen registriert und die<br />

betroffenen Merkmale in erneuten gezielten Propagationsschritten<br />

(Refinement) bearbeitet. Sind alle Netzwerke<br />

auf diese Weise bearbeitet, existiert damit ein<br />

Gesamtlösungsraum, aus dem sich bereits erste Aussagen<br />

zur Nichteignung der Prinziplösung prüfen lassen<br />

(Vorab-Auswertung). Der Gesamtlösungsraum<br />

enthält immer noch interne Abhängigkeiten und damit<br />

Variationsmöglichkeiten. Zur Ableitung des Wissens<br />

über die tatsächliche Gültigkeit einer Lösung<br />

muss der Gesamtlösungsraum in einem weiteren<br />

Schritt in gültige Einzellösungen gesplittet werden<br />

(Splitting). Existieren mehrere Netzwerke, so müssen<br />

die jeweils erzeugten Einzellösungen (Varianten) abschließend<br />

miteinander zu Gesamtlösungen kombiniert<br />

(Rekombination) werden. Nach dem Splitting<br />

und der Rekombination erfolgt ein erneuter Abgleich<br />

des Anforderungsraums mit allen gültigen Zusicherungsräumen<br />

(Gesamtlösungen) der Prinziplösung.<br />

Wird mindestens ein Zusicherungsraum gefunden,<br />

der den Anforderungsraum gänzlich umschließt, so<br />

ist die Prinziplösung geeignet – ansonsten ist sie definitiv<br />

nicht geeignet (End-Auswertung). Aus dieser<br />

Auswertung kann nun Information <strong>für</strong> die Erklärungskomponente<br />

abgeleitet werden.<br />

5. IMPLEMENTIERUNG<br />

Für Evaluierung und Nutzung des beschriebenen Konzepts<br />

wurde dieses in Form einer Webanwendung<br />

entsprechend der (Thin-)Client-Server-Architektur<br />

implementiert. Der Nutzer kann dadurch flexibel und<br />

ungebunden über jeden üblichen Webbrowser als Client<br />

mit der Anwendung kommunizieren. Er bringt das<br />

fallspezifische Faktenwissen über die Oberfläche der<br />

Applikation manuell oder über einen Import ein (eine<br />

Schnittstelle steht <strong>für</strong> NE 100/eCl@ss-konforme Merkmalleisten<br />

im XML-Format zur Verfügung). Bild 5<br />

zeigt dazu beispielhaft einige Auswahlkriterien der<br />

Eingabemaske. Die Nutzeroberfläche wird dynamisch<br />

in Abhängigkeit von den Besonderheiten der Auswahlaufgabe<br />

und den Charakteristika der verwendeten<br />

Merkmale erzeugt. Die Wissensbasis sowie die Bibliothek<br />

sind eigenständige Dateien und sind serverseitig<br />

verfügbar, angepasst an die Auswahlaufgabe. Die algorithmische<br />

Wissensverarbeitung und Auswertung<br />

läuft ebenfalls serverseitig. Das Ergebnis wird dem<br />

Nutzer dann wieder über die Benutzeroberfläche zur<br />

Verfügung gestellt beziehungsweise kann zur Doku-<br />

Analyse und Separierung<br />

Propagation<br />

BILD 4: Schritte der<br />

Wissensverarbeitung<br />

Refinement<br />

Vorab-Auswertung/Vergleich<br />

Vorab-Aussage über<br />

Nichteignung<br />

Splitting<br />

Rekombination<br />

End-Auswertung/Vergleich<br />

Endgültige Aussage über<br />

Eignung/Nichteignung<br />

Aussagen <strong>für</strong> die<br />

Erklärungskomponente<br />

BILD 5: Eingabemaske <strong>für</strong><br />

Anforderungs formulierung<br />

60<br />

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

11 / 2014


mentation des Auswahlvorgangs in eine Datei exportiert<br />

werden. Bild 5 zeigt im rechten Bereich eine beispielhafte<br />

Kurzübersicht über das Auswerteergebnis.<br />

Weiterhin ist eine Erklärungskomponente zur detaillierten<br />

Ergebnisbetrachtung und zur Ableitung weiteren<br />

Wissens integriert.<br />

Zur unterstützten (hinsichtlich Korrektheit und Konsistenz)<br />

Erstellung und Pflege der Wissensbasis wurde<br />

ein Wissenseditor implementiert. Wie in Bild 3 zu sehen,<br />

kann dort grafisch und intuitiv Wissen der Wissensbasis,<br />

aber auch der Bibliothek dargestellt und<br />

editiert werden. Die aus dem Wissenseditor exportierbaren<br />

Dokumente im XML-Format lassen sich dann <strong>für</strong><br />

die wissensbasierte Auswertung nutzen.<br />

6. BEISPIEL AUSWAHL VON DURCHFLUSS­<br />

MESSEINRICHTUNGEN<br />

Das Expertengremium des VDI/VDE-GMA-Fachausschusses<br />

2.40 beschäftigt sich seit Anfang 2009 mit der<br />

Aktualisierung der VDI-Richtlinie 2644 Auswahl und<br />

Einsatz von Durchflussmesseinrichtungen [3]. Im Rahmen<br />

der Richtlinienarbeit wurde über mehrere Jahre<br />

entsprechendes Expertenwissen zusammengetragen<br />

und zunächst in Form einer Tabelle dokumentiert. Diese<br />

Tabelle enthält Konsenswissen über etwa 20 Messprinzipien<br />

und Bauformen von Durchflussmessgeräten<br />

und wurde auf der Grundlage von zirka 35 Auswahlkriterien<br />

formuliert. Mit inzwischen 700 Tabellenfeldern<br />

hat die Tabelle die Grenze deutlich überschritten,<br />

bis zu der eine Auswertung und die notwendige<br />

Pflege des Wissens auf dieser Basis möglich ist. Daher<br />

wurde auf dieses Wissensgebiet das in den vorangegangenen<br />

Abschnitten beschriebene Konzept angewandt<br />

und implementiert. Dazu wurde in der Bibliothek entsprechendes<br />

Klassenwissen über die notwendigen Modellelemente<br />

(Aufgabe – hier: Durchflussmessung, Prinziplösungen<br />

– hier Messprinzipien wie zum Beispiel<br />

Coriolis-Durchflussmesser, Merkmale – beispielsweise<br />

Prozessdruck) angelegt und mittels elementspezifischer<br />

Attribute grundlegend beschrieben.<br />

6.1 Anlegen der Wissensbasis<br />

Im Wissensbasisdokument wurden die Messaufgabe<br />

und darunter die abzubildenden Prinziplösungen angelegt<br />

und wie folgt spezifiziert:<br />

Anlegen einer Wissensbasis <strong>für</strong> jede Prinziplösung<br />

Spezifizieren der Merkmale einer Prinziplösung<br />

(Instanzen der Merkmalklassen der Messaufgabe),<br />

das heißt beispielsweise Einschränken des Definitionsbereichs<br />

auf den gültigen Grundwertebereich<br />

<strong>für</strong> das entsprechende Messprinzip sowie gegebenenfalls<br />

Festlegen einer Einheit.<br />

Beispiel: Die Merkmalinstanz Prozesstemperatur<br />

der Prinziplösung Magnetisch Induktiver Durchflussmesser<br />

schränkt den Definitionsbereich ihrer<br />

Merkmalklasse [–273,15 °C … + ∞] auf den<br />

Grundwertebereich [–40 °C … 180 °C] ein.<br />

Anlegen und Spezifizieren von Relationen zwischen<br />

den Merkmalen. Beispiele:<br />

Der Zusammenhang zwischen maximaler Nennweite<br />

und maximalem Nenndruck (Bild 2 rechts<br />

oben) wird als Tabellenrelation abgebildet, wobei<br />

der sich ergebende Lösungsraum zum Beispiel<br />

wie folgt interpretiert werden kann: Wenn<br />

Nenndruck max. bis 100 bar, dann Nennweite<br />

max. bis 300 mm.<br />

Der Zusammenhang zwischen Strömungsgeschwindigkeit,<br />

Volumendurchfluss und Nennweite<br />

wird als symbolische Relation mit dem<br />

Relationsterm 0 = 4 · V – v abgebildet.<br />

π · DN 2<br />

Zusätzlich werden auch die jeweiligen Einheiten<br />

der Merkmale angegeben, <strong>für</strong> die dieser Ausdruck<br />

gültig ist.<br />

6.2 Anwendung und Auswertung mit Software<br />

Nach Abschluss der Wissensabbildung in Bibliothek<br />

und Wissensbasis wurden die Wissensmodelle automatisch<br />

formalisiert. Sie können nun im Auswahltool<br />

eingelesen und verwendet werden. Über die Oberfläche<br />

wählt der Anwender die in die Auswahl einzubeziehenden<br />

Messprinzipien und Bauformen. Zudem befüllt<br />

er die Eingabemaske, siehe Bild 5, per Datenimport in<br />

Form einer Durchflussmessgeräte-Merkmalleiste mit<br />

den Anforderungen seines konkreten Anwendungsfalls<br />

(zum Beispiel einer bestimmten Messstelle). Alternativ<br />

oder ergänzend kann die Dateneingabe manuell erfolgen.<br />

Die folgende automatische Auswertung der Software<br />

endet mit der Eignungsbewertung der Messprinzipien,<br />

siehe Bild 5, und einer weitergehenden Ergebniserklärung.<br />

Große Teile der Wissensbasis der Richtlinie VDI 2644<br />

wurden auf die oben beschriebene Weise bereits abgebildet<br />

und ausgewertet. Als nützlicher Nebeneffekt hat<br />

sich dabei auch das Hinterfragen von Wissenselementen<br />

und Zusammenhängen durch die strukturierte<br />

Aufbereitung und Beschreibung erwiesen. Somit ließen<br />

sich bereits in einem frühen Stadium Inkonsistenzen<br />

und nicht plausible Aussagen entdecken, diskutieren<br />

und korrigieren. Konzept und entwickelte Software<br />

konnten bereits an vielen Anforderungsbeispielen der<br />

Durchflussmessung erfolgreich getestet, das heißt das<br />

hinterlegte Expertenwissen korrekt und mit erwartungsgemäßem<br />

Ergebnis ausgewertet, werden. Dazu<br />

wurden jeweils praxisrelevante Anforderungsfälle mit<br />

Hilfe der benötigten Merkmale formuliert und die soft-<br />

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

11 / 2014<br />

61


HAUPTBEITRAG<br />

waregestützte Eignungsbewertung auf Basis des Wissens<br />

über verfügbare Prinziplösungen durchgeführt.<br />

Die Richtigkeit der Ergebnisse wurde von Fachexperten<br />

der Anwender- und Herstellerseite im GMA-Fachausschuss<br />

2.40 geprüft und bestätigt – sowohl bezogen auf<br />

das Ergebnis der Eignungsbewertung, als auch auf die<br />

von der Software gelieferte Erklärung eventueller<br />

Nichteignung beziehungsweise Hilfestellung <strong>für</strong> die<br />

gezielte Anpassung der Anforderungen innerhalb gewisser<br />

Spielräume der beschreibenden Merkmale. Die<br />

Weiterentwicklung und Verbesserung in Zusammenarbeit<br />

mit den Experten des Fachausschusses läuft darüber<br />

hinaus weiter.<br />

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK<br />

Die Spezifikation und Auswahl technischer Ressourcen<br />

nimmt innerhalb der Planung und Modernisierung<br />

von Anlagen und insbesondere innerhalb der PLT-Planung<br />

eine bedeutende Rolle ein. Die Herausforderung<br />

ist dabei, trotz der Komplexität dieser häufigen Engineeringaufgabe<br />

im Einzelfall jeweils anforderungsgerecht<br />

zu spezifizieren und auszuwählen. Um die Vielzahl<br />

heterogener Wissensquellen dazu effektiv zu nutzen,<br />

haben sich in der Praxis Vorgehensweisen entwickelt,<br />

die diesen Prozess abkürzen oder den<br />

Lösungsraum a priori stark einschränken. Um den<br />

damit verbundenen und darüber hinaus identifizierten<br />

Defiziten zu begegnen, wurde in diesem Beitrag ein<br />

Konzept <strong>für</strong> eine wissensbasierte Auswahlunterstützung<br />

beschrieben. Das Konzept beinhaltet die Nutzung<br />

von Merkmalen zur Lösungsraumdarstellung, die Entwicklung<br />

und Abbildung da<strong>für</strong> notwendiger Modellelemente,<br />

sowie die Formalisierung des Modells. Eine<br />

Besonderheit stellt vor allem die Beschreibung und<br />

Verarbeitung von Abhängigkeiten zwischen den Merkmalen<br />

dar, die sich im Modellgedanken von Merkmalnetzen<br />

wiederfinden. Abschließend wurde das Konzept<br />

durch Implementierung in eine nutzbare Anwendung<br />

überführt und am konkreten Praxisbeispiel der Auswahl<br />

von Durchflussmessgeräten evaluiert.<br />

Die Resultate zeigen, dass die aufgestellten Anforderungen<br />

erfüllt werden und damit die Engineering-Auf-<br />

REFERENZEN<br />

[1] Scheuermann, A.: Markt in Bewegung: CT-Umfrage:<br />

Füll- und Grenzstandmessgeräte <strong>für</strong> Schüttgüter.<br />

Chemie Technik, März 2004, S. 64–65, 2004,<br />

http://ki-portal.de/ai/resources/5837376dfa4.pdf<br />

[2] Brucker, A.: Durchflussmesstechnik. Oldenbourg<br />

Industrieverlag, 2008<br />

[3] VDI 2644: Auswahl und Einsatz von Durchflussmesseinrichtungen.<br />

VDI, 2001<br />

[4] Barua, A., Sengupta, S: EXSENSEL - A Rule-Based<br />

Approach to Selection of Sensors for Process Variables.<br />

Chemical Engineering & Technology 19(5), S. 443–447,<br />

1996<br />

[5] Singh, R., Gernaey, K. V., Gani, R.: An ontological<br />

knowledge-based system for the selection of process<br />

montoring and analysis tools. Computers and Chemical<br />

Engineering 34(7), S. 1137-1154, 2010<br />

[6] Mess, M.: Methodenbausteine zur Sensorauswahl und<br />

-integration im Maschinenbau. Der Andere Verlag, 2007<br />

[7] Ahrens, W.: Eine Gegenüberstellung von VDI/VDE 3682,<br />

PROLIST, eCl@ss: Formalisierte Prozessbeschreibung<br />

und Branchenstandards. <strong>atp</strong> – Automatisierungstechnische<br />

Praxis 52(9), S. 32–45, 2010<br />

[8] Müller, I.: Einsatz von Expertensystemen bei der<br />

Projektierung (Planung) von Automatisierungsanlagen.<br />

Dissertation an der Fakultät Naturwissenschaft<br />

und Technik der Technischen Hochschule<br />

Leipzig, 1992<br />

[9] Ong, J. B., Masud, A. S., O. K. Eyada: Senses: A Knowledge-Based<br />

Sensor Selection System. Computers &<br />

Industrial Engineering 22(1), S. 1–8, 1992<br />

[10] Runde, S., Fay, A., Schmitz, S., Epple, U.: Wissensbasierte<br />

Systeme im Engineering der Automatisierungstechnik:<br />

Potenziale, Anwendungen, Defizite und zukünftige<br />

Herausforderungen. <strong>atp</strong> – Automatisierungstechnische<br />

Praxis 53(1-2), S. 42–49, 2011<br />

[11] Geis, W.: Ausgewählte Vergleiche regelbasierter<br />

Expertensysteme mit konventionellen Verfahren<br />

zur betrieblichen Entscheidungsunterstützung.<br />

Dissertation, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-<br />

Nürnberg, 1990<br />

[12] Beierle, C., Kern-Isberner, G.: Methoden wissensbasierter<br />

Systeme: Grundlagen, Algorithmen,<br />

Anwendungen, 4. Auflage. Vieweg+Teubner / GWV<br />

Fachverlage, 2008<br />

[13] Schady, R.: Methode und Anwendungen einer wissensorientierten<br />

Fabrikmodellierung. Dissertation an der<br />

Fakultät <strong>für</strong> Maschinenbau der Otto-von-Guericke-<br />

Universität Magdeburg, 2008<br />

[14] Döbrich, U., Heidel, R.: Datengetriebene Programmsysteme:<br />

Ein Ausweg aus dem Schnittstellenchaos.<br />

Informatik Spektrum, März 2012, S. 190–203, 2012<br />

[15] Epple, U.: Merkmale als Grundlage der Interoperabilität<br />

technischer System. <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> – Automatisierungstechnische<br />

Praxis 53(7), S. 440–450, 2011<br />

62<br />

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

11 / 2014


gabe sinnvoll unterstützt wird: Qualität und Reproduzierbarkeit<br />

des Planungsprozesses können bei gleichbleibendem<br />

beziehungsweise sogar abnehmendem<br />

Aufwand gesteigert werden.<br />

Um die Universalität des Konzepts und der Implementierung<br />

zu evaluieren, wurden diese vor kurzem<br />

in den GMA-Fachausschuss 4.17 Energieeffizienz von<br />

Antrieben der Montage- und Handhabungstechnik eingebracht,<br />

der Kriterien zur Antriebsauswahl zusammengestellt<br />

hat. Es konnte gezeigt werden, dass dieses<br />

Expertenwissen in kurzer Zeit in dieses wissensbasierte<br />

System überführt und darin korrekt ausgewertet<br />

werden kann.<br />

Die Autoren streben die Etablierung einer Plattform<br />

an, auf der domänen- und aufgabenstellungsübergreifend<br />

Prinziplösungen anhand formulierten Typwissens<br />

anforderungsgerecht und softwareunterstützt ausgewählt<br />

werden können.<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

06.06.2014<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

[16] Wollschläger, M., Mühlhause, M., Runde, S., Lindemann,<br />

L.: XML in der <strong>Automation</strong>: Systematisches<br />

Sprachdesign. In: Tagungsband Entwurf komplexer<br />

Automatisierungssysteme - EKA 2010, S. 21-30,. ifak,<br />

2010<br />

[17] Ahrens, W., Zgorzelski, P.: Elektronischer Austausch<br />

von Produktdaten im PLT-Engineering. In: Tagungsband<br />

<strong>Automation</strong> 2009, S. 413-416, VDI-Verlag, 2009<br />

[18] Ahrens, W., Scheurlen, H.-J., Spohr, G.-U.: Informations-orientierte<br />

Leittechnik: Informatikmethoden<br />

angewandt<br />

auf leittechnische Fragestellungen. Oldenbourg-<br />

Industrieverlag, 1997<br />

[19] Boersch, I., Heinsohn, J., Socher-Ambrosius, R.<br />

Wissens verarbeitung. Elsevier, 2007<br />

[20] Tripathi, K.P.: A Review on Knowledge-based Expert<br />

System: Concept and Architecture. IJCA Special Issue<br />

on Artificial Intelligence Techniques - Novel Approaches<br />

& Practical Applications (4), S. 21–25, 2011<br />

[21] Stark, M., Hausmann, M., Krost, G.: Expert System<br />

for Component Selection of Self-Sufficient and<br />

Regenerative Electricity Supply Systems with<br />

Hydrogen Storage. In: Proc. Intelligent System<br />

Applications to Power Systems (ISAP’09), S. 1-6.<br />

IEEE, 2009. doi:10.1109/ISAP.2009.5352848<br />

DANKSAGUNG<br />

Die Autoren danken den Mitgliedern und Gästen des<br />

GMA-Fachausschusses 2.40 Durchflussmesstechnik<br />

<strong>für</strong> Volumen und Masse <strong>für</strong> wertvolle Anregungen<br />

und konstruktives Feedback. Insbesondere danken<br />

sie Herrn Dr. Brucker (BASF), dem Vorsitzenden<br />

dieses Fachausschusses, auch <strong>für</strong> das Einbringen<br />

von wertvollem Erfahrungswissen über Durchflussmessverfahren<br />

aus dem Namur-Arbeitskreis 3.2<br />

Durchflussmesstechnik.<br />

AUTOREN<br />

Dipl.-Ing. MAIK RIEDEL<br />

(geb. 1983) ist wissenschaftlicher<br />

Mitarbeiter an der<br />

Professur <strong>für</strong> Automatisierungstechnik<br />

an der<br />

Helmut-Schmidt-Universität/<br />

Universität der Bundeswehr<br />

Hamburg. Sein Forschungsschwerpunkt<br />

ist die wissensbasierte<br />

Unterstützung des Spezifikations- und<br />

Auswahlprozesses technischer Ressourcen.<br />

Institut <strong>für</strong> Automatisierungstechnik,<br />

Helmut-Schmidt-Universität/<br />

Universität der Bundeswehr Hamburg,<br />

Holstenhofweg 85, D-22043 Hamburg,<br />

Tel. +49 (0) 40 65 41 36 57,<br />

E-Mail: maik.riedel@hsu-hh.de<br />

Prof. Dr.-Ing. ALEXANDER<br />

FAY (geb. 1970) ist Professor<br />

<strong>für</strong> Automatisierungstechnik<br />

an der Fakultät <strong>für</strong><br />

Maschinenbau der Helmut-<br />

Schmidt-Universität/<br />

Universität der Bundeswehr<br />

Hamburg. Sein<br />

Forschungsschwerpunkt<br />

sind Beschreibungsmittel, Methoden und<br />

Werkzeuge <strong>für</strong> einen effizienten Entwurf von<br />

Automatisierungssystemen.<br />

Institut <strong>für</strong> Automatisierungstechnik,<br />

Helmut-Schmidt-Universität/<br />

Universität der Bundeswehr Hamburg,<br />

Holstenhofweg 85, D-22043 Hamburg,<br />

Tel. +49 (0) 40 65 41 27 19,<br />

E-Mail: alexander.fay@hsu-hh.de<br />

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

11 / 2014<br />

63


HAUPTBEITRAG<br />

Robustheit industrieller<br />

Produktionsnetze<br />

Belastungstests <strong>für</strong> Ethernet-basierte Kommunikation<br />

Ethernet-basierte Kommunikationssysteme unterliegen aufgrund ihrer Offenheit<br />

und Anbindung an das Internet einer besonderen Sicherheitsbetrachtung. Aus Sicht<br />

der IT sind vielfältige Erfahrungen vorhanden, um den Gefahren zu begegnen. Derzeit<br />

gelangen auch risikobehaftete Schwachstellen direkt an den Automatisierungsgeräten<br />

in den Blickpunkt, die sich entweder gezielt <strong>für</strong> Produktionsstörungen ausnutzen<br />

lassen oder die Stabilität des Netzwerks beeinflussen können. Um einen<br />

stabilen Netzwerkbetrieb zu gewährleisten, müssen Konzepte <strong>für</strong> Robustheitstests<br />

und <strong>für</strong> ganzheitliche Analysen, insbesondere <strong>für</strong> Profinet-basierte Produktionsnetzwerke,<br />

in Zusammenarbeit mit den Nutzerorganisationen erarbeitet werden. Für<br />

eine weiterführende Bewertung und Ableitung von notwendigen Maßnahmen ist<br />

dann die Formulierung von Anforderungen und Akzeptanzkriterien notwendig, die<br />

neben der Analyse von Lasttestszenarien in diesem Beitrag behandelt werden.<br />

SCHLAGWÖRTER Diagnose / Test / Profinet IO<br />

Robust Industrial Production Networks –<br />

Robustness Tests for Ethernet-based Communications<br />

Because Ethernet-based communication systems have an open protocol standard<br />

and Internet connections, they call for special security considerations. From the<br />

standard IT point of view there are various ways of dealing with such risks. Attention<br />

is increasingly being paid to weak spots of automation components which could be<br />

targeted to interrupt production or to influence the stability of a network. In order<br />

to ensure a stable network, concepts of robustness testing must be developed in<br />

cooperation with the technology associations, in particular for Profinet based production<br />

networks. For further analysis and to derive appropriate measures it is necessary<br />

formulate requirements and approval criteria. These are considered in this<br />

paper in addition to the analysis of robustness test scenarios.<br />

KEYWORDS diagnosis / test / Profinet IO<br />

64<br />

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GUNNAR HARTUNG, Audi<br />

TINO DOEHRING, ifak e.V. Magdeburg<br />

Die Automatisierungslösungen in den Produktionssystemen<br />

sind schützenswerte Funktionseinheiten.<br />

Diese können je nach Betrachtungswinkel<br />

entweder einzelne Automatisierungsgeräte,<br />

Teilanlagen aber ebenso Gesamtanlagen<br />

sein, die in der Regel aus Hard- und<br />

Softwareanteilen bestehen. Da keine Automatisierungslösung<br />

fehlerfrei ist, existieren somit potenzielle,<br />

risikobehaftete Schwachstellen, die sich durch<br />

die zunehmende Vernetzung und den Einsatz Ethernet-basierter<br />

Kommunikationsprotokolle auch missbräuchlich<br />

ausnutzen lassen. Wie Anwender sich gegen<br />

diese Angriffe aus IT-Sicht schützen können, zeigen<br />

verschiedene Handlungsempfehlungen auf [5] und<br />

sie dienen als solide Grundlage zum IT-Schutz des<br />

Produktionssystems.<br />

Ein Fehlverhalten kann aber auch aus einer Überlastsituation<br />

herrühren, die nicht nur bei Angriff durch<br />

Fremdeingriff ausgelöst wird. Beispielsweise ergeben<br />

sich aus verschiedenen topologischen Strukturen, das<br />

heißt der Art der Segmentbildung durch die Steuerungs-<br />

und Switch-Hierarchie und die Anzahl von<br />

Geräten, die diesen zugeordnet werden, unterschiedliche<br />

Lastsituationen <strong>für</strong> die einzelnen Geräte. Die<br />

Last ergibt sich zum Beispiel beim Ethernet-basierten<br />

industriellen echtzeitfähigen Kommunikationsstandard<br />

Profinet nicht nur aus der Größe und Häufigkeit<br />

der Produktivdienste, sondern auch aus dem Dienstaufkommen<br />

des Netzwerkmanagements. Bisher gibt<br />

es <strong>für</strong> die Auslegung noch keine genügenden Richtlinien.<br />

Auf dem Weg dahin, sollten die Anlagen einem<br />

entsprechend ausgelegten Test unterzogen werden.<br />

Bisherige Tests überprüfen zum Teil nur das konforme<br />

Verhalten der vorliegenden Kommunikationslösung.<br />

Das Verhalten der Geräte im Produktionssystem, also<br />

an den verschiedenen Stellen der Anlagen-Topologie,<br />

ist nur in ungenügendem Maße bekannt. Ein systemorientierter<br />

Test könnte hierbei Ergebnisse zur Validierung<br />

der Netzwerkauslegung an sich liefern und<br />

Engpässe aufzeigen, die einer späteren Erweiterung<br />

entgegenstehen. Voraussetzungen <strong>für</strong> solche systemorientierten<br />

Tests sind:<br />

Die eingespeiste Netzlast muss an den Prüfling<br />

weitergeleitet werden (keine Filterung von beispielsweise<br />

LLDP-Paketen in den Switches).<br />

Die Testergebnisse sollen unabhängig von der Performance<br />

der eingesetzten Netzwerkkarte im Testsystem<br />

sein.<br />

Es werden Akzeptanzkriterien <strong>für</strong> eine automatisierte<br />

Bewertung des Device under Test (DUT) während<br />

der Testdurchführung definiert.<br />

Das Geräteverhalten muss den relevanten Testfällen<br />

zugeordnet werden können.<br />

Eine eindeutige Beschreibung der Points of Control<br />

und Points of Observation <strong>für</strong> jeden einzelnen Testfall<br />

ist vorhanden.<br />

1. STAND DER TECHNIK BEI NETZWERKTOPOLOGIE<br />

Die Kommunikationssysteme in Produktionsanlagen<br />

der Automobilindustrie basieren auf dem industriellen<br />

Feldbus Profinet. Ein entscheidendes Merkmal ist dabei<br />

die Echtzeitkommunikation. Bei der Audi AG erfolgt<br />

im Karosseriebau eine Segmentierung der Gesamtanlage<br />

in verschiedene Teilanlagen. Die Topologieausprägung<br />

in den Teilanlagen ist im Wesentlichen identisch.<br />

An einem zentralen Switch befinden sich Steuerungskomponente<br />

(Profinet-Controller) und Bedien-PC. Weiterhin<br />

spannen sich verschiedene Netzwerklinien unterschiedlicher<br />

Tiefe mit den Feldgeräten (Profinet-<br />

Devices) auf, siehe Bild 1. Aufgrund des Mengengerüstes<br />

in den Anlagen und der zunehmenden<br />

Gerätefunktionen und -anwendungen rückt eine umfassende<br />

Netzwerkanalyse und Anlagendiagnose immer<br />

mehr in den Vordergrund.<br />

Für eine notwendige Netzwerkanalyse gibt es aus<br />

Sicht des Anlagenplaners verschiedene Motivationsaspekte<br />

und Ziele, die verfolgt werden. So sollte die<br />

Qualität des Profinet-Netzwerkes im Hinblick auf Konfiguration,<br />

Verfügbarkeit, Protokollverteilung, Robustheit/Stabilität<br />

und Kommunikationsanomalien bewertet<br />

werden. Aber auch das Aufzeigen von Verbesserungspotenzial<br />

ist zu berücksichtigen. Ein einheitlicher<br />

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

11 / 2014<br />

65


HAUPTBEITRAG<br />

Qualitätsstempel <strong>für</strong> die verwendeten Automatisierungskomponenten<br />

mit definierten Qualitätskriterien<br />

wäre hier wünschenswert.<br />

Die Vorgehensweisen bei einer solchen Netzwerkanalyse<br />

sind abhängig vom Aufbauzustand der Automatisierungsanlagen.<br />

So muss beispielsweise eine erste<br />

Messung direkt nach Anlagenaufbau durchgeführt<br />

werden. Dabei wird das Ziel verfolgt, wichtige Basisdaten<br />

zu erfassen und Grundkonfigurationen vorzunehmen.<br />

Eine zweite Messung ist beim Start der Produktion<br />

(SOP) durchzuführen. Dabei müssen Netzwerkdaten<br />

erfasst und das Verhalten bei Grundlast<br />

betrachtet werden. Eine dritte Messung wird beim Erreichen<br />

der Kammlinie (Erreichen der Zielkapazität)<br />

gefordert. Ziel hierbei sind die Analyse und Bewertung<br />

verschiedener Lastszenarien.<br />

Die Validierung einer Profinet-Netzwerkanalyse hinsichtlich<br />

der Ergebnisdarstellung beinhaltet neben den<br />

Teilnehmerlisten und der Darstellung der Netzwerktopologie<br />

der verfügbaren Profinet-Geräte auch deren<br />

wesentliche Merkmale wie:<br />

Gerätenamen,<br />

IP-Adressen und<br />

Firmwarestände.<br />

Entscheidend <strong>für</strong> die Beurteilung der Netzwerkcharakteristik<br />

sind darüberhinaus die verbindungs- und portbezogene<br />

Netzlast, die Protokollverteilung und die<br />

Portstatistiken. Diese Lasttests sollten bereits Bestandteil<br />

der Messungen nach Anlagenaufbau sein, um in<br />

dieser frühen Lebensphase der Anlage qualitative Aussagen<br />

zum Lastverhalten und der vorhandenen Netzreserve<br />

machen zu können.<br />

Herausforderungen <strong>für</strong> die durchzuführenden Netzwerktests<br />

an realen Anlagen sind zum einen das unterschiedliche<br />

Zusammenwirken von Komponenten und<br />

Anwendungen und zum anderen das unterschiedliche<br />

Lastverhalten der einzelnen Komponenten. Aber auch<br />

ein automatisierter Testlauf mit Belastungstests bis an<br />

die Systemgrenzen stellt hier eine Herausforderung dar.<br />

Diese Aspekte müssen bei der Definition und Spezifikation<br />

von relevanten Testfällen und -szenarien berücksichtigt<br />

werden.<br />

2. KONZEPT FÜR EINEN SYSTEMORIENTIERTEN TEST<br />

Die im Rahmen eines systemorientierten Tests durchzuführenden<br />

Testfälle sind zu spezifizieren. Besonderer<br />

Fokus liegt hierbei auf der formalen Testspezifikation<br />

<strong>für</strong> Security-relevante Tests. Weiterhin müssen Testszenarien<br />

erarbeitet werden, die bereits Hersteller von AT-<br />

Komponenten bei einer Geräteentwicklung unterstützen.<br />

Aber auch Tests, die beispielsweise typische Anwendungsszenarien<br />

in bestehenden AT-Anlagen adressieren<br />

und so eine gewisse wirtschaftliche Relevanz haben,<br />

stehen im Fokus der Betrachtungen. Der Wert eines zuverlässigen<br />

Schutzes einer Industrieanlage vor IT-Sicherheitsangriffen<br />

(wie unberechtigter Zugriff, DoS-Angriffe)<br />

ist offensichtlich, da eine verbesserte Verfügbarkeit von<br />

Komponenten aufgrund ihrer Resistenz gegenüber möglichen<br />

Angriffen zu einer höheren Produktivität und<br />

damit Wertschöpfung von Anlagen führt.<br />

Im zu erarbeitenden Testkonzept müssen bestimmte<br />

Anforderungen an den Prüfling spezifiziert werden. Es<br />

werden Aussagen zum geforderten Ausgangszustand<br />

hinsichtlich der AT-Anwendung und der Kommunikation<br />

des Prüflings erwartet. Weiterhin sind Akzeptanzkriterien<br />

zu definieren, um das Verhalten des Prüflings<br />

während der Testdurchführung bewerten zu können.<br />

Damit kann dann eine Testfallbewertung durchgeführt<br />

werden. Für eine solche Bewertung des Prüflings müssen<br />

eindeutige Bewertungskriterien wie Lastklassendefinitionen<br />

oder Ausfallstufen beschrieben sein. Testfälle<br />

sollen automatisiert durchführbar sein und das<br />

beobachtete Geräteverhalten soll mit den durchzuführenden<br />

Testfällen in Zusammenhang gebracht werden.<br />

Zum Testkonzept gehört eine Beschreibung der Testumgebung.<br />

Bei Tests in einer speziellen Testumgebung<br />

müssen verschiedene Geräteeigenschaften berücksichtigt<br />

und dementsprechend bewertet werden. Für die<br />

Bewertung einer Gerätefunktionalität steht so die Verarbeitung,<br />

<strong>für</strong> die Bewertung einer Switch-Funktionalität<br />

allerdings das Weiterleiten von Nachrichten im<br />

Vordergrund.<br />

Bei der Einarbeitung in das Themenfeld IT-Security<br />

im allgemeinen und das Testthema im speziellen wurden<br />

bei der Erarbeitung des Testkonzepts bereits etablierte<br />

Methoden und Techniken aus der Standard-IT<br />

berücksichtigt, aber ebenso aus dem automatisierungstechnischen<br />

Umfeld.<br />

2.1 Testkonzept und Testumgebung<br />

Im Forschungsprojekt VuTAT [2] wurden Grundlagen<br />

zur Identifikation und Analyse von Sicherheitsschwachstellen<br />

in Ethernet-basierten Automatisierungsgeräten<br />

gelegt, um insbesondere Implementierungs- oder Konfigurationsschwachstellen<br />

auf Geräteebene identifizieren<br />

zu können. Im Rahmen von VuTAT wurden Endgeräte<br />

und Infrastrukturgeräte der industriellen Automatisierungstechnik<br />

auf Schwachstellen untersucht. Neben<br />

den im industriellen Umfeld vorrangig zum Einsatz<br />

kommenden Ethernet-basierten Standardprotokollen<br />

wurden exemplarisch die Profinet-Protokolle betrachtet.<br />

In diesem Vorhaben wurde unter anderem der Open-<br />

Source Schwachstellenscanner OpenVAS weiterentwickelt<br />

und angepasst. So wurde <strong>für</strong> die Realisierung von<br />

Testfällen mit Layer2-Kommunikation das Scapy-Tool<br />

in das <strong>modulare</strong> OpenVAS-Framework integriert und<br />

eine Vermittlerschicht zum überlagerten OpenVAS-<br />

Management implementiert. Mit Hilfe von Scapy können<br />

skriptsprachenbasiert (Python) Datenpakete generiert,<br />

gesendet und empfangen werden. Zusätzlich lassen<br />

sich Pakete vieler Protokolle direkt erstellen, ohne<br />

Rohdaten bearbeiten zu müssen. Außerdem lassen sich<br />

mit Scapy Datenpakete mit falschem Inhalt (zum Beispiel<br />

falsche Längenfelder) erstellen und senden. Scapy<br />

ist kein Testtool im eigentlichen Sinne, es eignet sich<br />

aber sehr gut zum skriptbasierten Erstellen von Testfäl-<br />

66<br />

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

11 / 2014


BILD 1: Netzwerkkonzept im Audi-<br />

Karosseriebau Audi A3 an den<br />

Standorten Ingolstadt und Györ<br />

BILD 2:<br />

Testumgebung<br />

nach ISCI<br />

BILD 3: Exemplarische Ermittlung<br />

von Bewertungskriterien<br />

len, die beispielsweise die Robustheit von Automatisierungslösungen<br />

testen. Das erarbeitete Testkonzept in<br />

VuTAT orientierte sich außerdem an der Testspezifikation<br />

des ISA Security Compliance Institute (ISCI), siehe<br />

Bild 2, und an den Securitytest-Aktivitäten im AT-Umfeld<br />

(Security Level 1 Tester; SL1T).<br />

Die beschriebene Testumgebung und die spezifizierten<br />

Testfälle der ISCI-Spezifikationen wurden im<br />

VuTAT-Kontext angepasst und erweitert. Für die speziellen<br />

Securitytests aus dem AT-Umfeld wurden ein<br />

Reverseengineering durchgeführt und formale Testfallbeschreibungen<br />

abgeleitet.<br />

Im Rahmen der Testspezifikationsarbeiten wurden<br />

dann mögliche Testgruppen definiert. So wurden definierte<br />

Lasttests mit Standard-IT Protokollen und<br />

Diensten, aber auch mit Protokollen und Diensten aus<br />

dem industriellen Umfeld (beispielsweise Profinet)<br />

beschrieben. Dies erfolgte unter anderem in Anlehnung<br />

an die aktuelle SL1T-Umsetzung aus dem AT-<br />

Umfeld. Außerdem wurden die spezifizierten CRT-<br />

Tests (Communication Robustness Testing) nach ISCI<br />

umgesetzt und in die OpenVAS-Testbibliothek integriert.<br />

Nach wie vor können ebenso die existierenden<br />

Securitytests aus dem IT-Umfeld aus der OpenVAS-<br />

Testbibliothek ausgeführt werden.<br />

Die exemplarische Ermittlung von Akzeptanzkriterien<br />

zeigt das Bild 3. Zu diesen Kriterien gehören anwendungs-<br />

und kommunikationsbezogene Kenngrößen wie<br />

Zykluszeit, Übertragungszeit und die Paketverlustrate.<br />

Eine Testapplikation (Test-APP) im Profinet-Controller<br />

liest ein Triggersignal ein (Digital Input) und spiegelt das<br />

Signal auf einen digitalen Ausgang des Profinet-Device.<br />

Dabei wird der Wert des Triggersignals über die zyklische<br />

Profinet-Kommunikation transportiert.<br />

Eine Komponente zur Kenngrößenermittlung (ifak-<br />

Multiface) speist das Triggersignal ein und greift es<br />

auf der Deviceseite wieder ab. Die Messungen und die<br />

Weiterverarbeitung erfolgen intern in dieser Komponente.<br />

Randbedingungen <strong>für</strong> die Durchführung der<br />

Messungen sind hier der Profinet-Zyklus, Profinet-<br />

Applikationszyklus und der Triggerungszyklus des<br />

Einspeisesignals. Für die Erzeugung einer definierten<br />

Netzlast und eines definierten Inhalts kommt ein<br />

Testwerkzeug zum Einsatz, das mit Hilfe von konfigurierbaren<br />

Testdaten Netzlasten unterschiedlicher<br />

Höhe und unterschiedlichen Inhalts erzeugt und in<br />

das Netzwerk einspeist.<br />

Außerhalb der VuTAT-Aktivitäten wurden weitere<br />

Testszenarien definiert, um in kritischen Netzwerkpunkten<br />

einer bestehenden Profinet-AT-Anlage (beispielsweise<br />

bei großer Linientiefe) die mögliche Profinet-Netzreserve<br />

ermitteln zu können. Kritische Netzwerkpunkte<br />

sind beispielsweise Stellen innerhalb einer Netzwerktopologie,<br />

in denen eine Anlagenerweiterung zu instabilem<br />

Kommunikationsverhalten und somit zum Produktionsausfall<br />

führen kann. Als Profinet-Netzreserve ist die Anzahl<br />

weiterer möglicher Profinet-Komponenten mit typischem<br />

Kommunikationsverhalten zur Erweiterung von<br />

Netzwerktopologien zu verstehen. Dieser Use-Case wird<br />

im folgenden Kapitel näher beschrieben.<br />

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

11 / 2014<br />

67


HAUPTBEITRAG<br />

2.2 Ermittlung der Netzreserve<br />

Dieses beschriebene Anwendungsszenario kann sowohl<br />

Bestandteil eines Interoperabilitätstests bei der<br />

Zertifizierung von Automatisierungskomponenten als<br />

auch ein systemorientierter Testfall in einer bestehenden<br />

AT-Anlage sein. In kritischen Netzwerkpunkten,<br />

das kann entweder das gesamte Netzwerk, eine kritische<br />

Netzwerkstrecke oder lediglich ein Prüfling in<br />

einer Laborumgebung sein, wird definierte Netzlast<br />

injiziert, siehe Bild 4.<br />

Ein Netzlastgenerator simuliert hier mit der injizierten<br />

Netzlast zusätzliche Profinet-Komponenten innerhalb<br />

der zuvor dargestellten Netzwerktopologie und<br />

erweitert so virtuell die Mengengerüste in der<br />

Netzwerk linie. Die Injektion erfolgt durch Erzeugung<br />

und Einspeisung von spezifischer Profinet-Kommunikationslast<br />

(zyklisch, azyklisch), wie sie typischerweise<br />

in der kritischen Netzwerktopologie auftritt. Eine<br />

Analyse der vorliegenden typischen Kommunikation<br />

ist hierbei Voraussetzung. Zu den Parametern dieser<br />

Profinet-Kommunikationslast gehören unter anderem<br />

die Paketlängen und -zykluszeiten der zyklischen Profinet-Kommunikation<br />

und die Datenlänge und der prozentuale<br />

Anteil der azyklischen Profinet-Kommunikation.<br />

Auf Grundlage dieser Information können weitere<br />

Profinet-Teilnehmer simuliert werden, deren Netzlast<br />

dann in die Linientopologie eingespeist wird. Die Anzahl<br />

der zu simulierenden zusätzlichen Profinet-Komponenten<br />

kann variiert werden, ebenso ob die eingespeiste<br />

Kommunikation gerichtet oder ungerichtet sein<br />

soll. So kann die Device- oder die Switch-Funktionalität<br />

eines AT-Gerätes in den Tests geprüft werden.<br />

3. UMSETZUNG UND ERSTE ERFAHRUNGEN<br />

Die Ansätze des zuvor beschriebenen Konzepts wurden<br />

zum Teil prototypisch umgesetzt und konnten bereits in<br />

einer realen Produktionsanlage evaluiert werden, in der<br />

eine Großzahl von Profinet-basierten Netzwerken existieren.<br />

Im Rahmen der Tests wurde in diesen Profinet-<br />

IO-Anlagensegmenten zunächst ein Topologiescan<br />

durchgeführt, um die Topologie der einzelnen Produktionsanlagenteile<br />

zu ermitteln. Dazu wurden Profinetspezifische<br />

Protokolle und Dienste genutzt (DCP_<br />

Identify(All), Implicite-RecordRead(Index=PDRealData)).<br />

Als Netzwerkzugang wurde hier<strong>für</strong> ein freier Service-<br />

Port eines Switches in der Profinet-IO-Anlage verwendet.<br />

Die zu sendenden Datenpakete und die empfangenen<br />

Antworten wurden mit Hilfe von Scapy-Skripten realisiert,<br />

analysiert und interpretiert. Anschließend wurden<br />

die Datensätze speziell formatiert und mit einem Grafikwerkzeug<br />

visualisiert. Über einen solchen Topologiescan<br />

ist es dann möglich, kritische Netzwerkpunkte oder<br />

-strecken zu lokalisieren. In diese kritischen Netzwerkpunkte<br />

beziehungsweise -strecken konnte dann Netzlast<br />

in Form von simulierten, zusätzlichen Profinet-Teilnehmern<br />

injiziert werden, um eine Profinet-Netzreserve zu<br />

ermitteln. Parallel zur Injektion der Netzlast wurden die<br />

auftretenden Datenströme aufgezeichnet, um später das<br />

Verhalten der AT-Geräte in der kritischen Netzwerkstrecke<br />

bewerten zu können.<br />

Weiterhin wurde <strong>für</strong> Diagnosetests kurzzeitig die<br />

Netzwerkverbindung zwischen der Profinet-IO-Steuerung<br />

und dem zentralen Netzwerk-Switch aufgetrennt<br />

und ein passiver Netzwerk-TAP (Test Access Point) eingefügt,<br />

um den gesamten Netzwerkverkehr von und zur<br />

Profinet-IO-Steuerung aufzuzeichnen (Profinet-spezifischer<br />

Datenverkehr und Standard-IT-relevanter Datenverkehr).<br />

Diese Aufzeichnungen wurden unter anderem<br />

dazu verwendet, um fehlende Information in der Topologieermittlung<br />

zu ergänzen. Aus den Daten der gerätetypischen<br />

Informationsbasis ließ sich dann eine eindeutige<br />

Netzwerktopologie ermitteln und visualisieren.<br />

Bestandteil der Messungen waren ferner Untersuchungen<br />

der Anlagenteile auf Kommunikationsanomalien.<br />

Hierzu wurden Datenströme an freien Service-<br />

Ports eines Profinet-Switches und vor der Profinet-<br />

Steuerung aufgezeichnet. Zu Kommunikationsanomalien<br />

zählen unter anderem:<br />

Unerwartetes Empfangen von bestimmten Paketen<br />

an beispielsweise Service-Ports von Switches (zum<br />

Beispiel Multicast/Broadcast-Pakete aus anderen<br />

Netzwerksegmenten ohne Ziel innerhalb des analysierten<br />

Segments)<br />

Unerwartete Verbindungsabbrüche (Messung vor<br />

SPS erforderlich)<br />

Generell unerwartetes oder ungewolltes Verhalten<br />

(clRPC Pings, Profinet-RTA-Wiederholungen,…)<br />

Unbekannte Kommunikation von unbekannten<br />

Anlagenteilnehmern (zum Beispiel Unicast-Pakete,<br />

adressiert an einen unbekannten Netzwerkteilnehmer)<br />

Auf Grundlage der vorliegenden Anlagentopologie wurde<br />

dann eine möglicherweise kritische Netzwerklinie<br />

auf Stabilität und Netzreserve analysiert. Am Ende der<br />

Netzwerklinie wurde die in der Linie auftretende gerätetypische<br />

Netzlast so injiziert, das Netzlast in Form<br />

von zusätzlichen Profinet-Teilnehmern simuliert werden<br />

konnte. Am Anfang der kritischen Netzwerklinie<br />

wurden von einem Netzwerk-TAP die dort auftretenden<br />

Datenströme gemessen und im Nachgang ausgewertet.<br />

Dies ermöglicht eine Bewertung des Verhaltens der AT-<br />

Komponenten mit und ohne zusätzliche Netzlast.<br />

Gleichzeitig konnte <strong>für</strong> diese Netzwerklinie eine Aussage<br />

über die mögliche Netzreserve getroffen werden.<br />

3.1 Ergebnisse der Messungen und deren Bewertung<br />

In der Visualisierung der Anlagentopologie, Ausschnitt<br />

siehe Bild 5, wurden Netzwerklinien unterschiedlicher<br />

Tiefe lokalisiert. Die Namen und IP-Adressen in dieser<br />

Abbildung sind aus Sicherheitsgründen unkenntlich<br />

gemacht. Der erste Netzwerkteilnehmer nach dem dargestellten<br />

zentralen Switch muss alle Netzwerkpakete<br />

der in der Linie dahinter liegenden Profinet-Geräte weiterleiten,<br />

die zur Steuerung gehen und von der Steuerung<br />

kommen. Dieser Teilnehmer ist demnach beson-<br />

68<br />

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

11 / 2014


ders belastet, und es könnte hier ein Flaschenhals bei<br />

hohen Netzlasten entstehen.<br />

Mit Hilfe der durchgeführten Netzlasttests in einer<br />

Netzwerklinie konnte das veränderte Kommunikationsverhalten<br />

von einzelnen AT-Komponenten gemessen<br />

und bewertet werden. Bild 6 veranschaulicht exemplarisch<br />

die Streuung der zyklischen Profinet-Kommunikation<br />

mit und ohne zusätzliche Netzlast. Die mit<br />

rot gezeichneten Ergebnisse zeigen die Verteilungen der<br />

gemessenen Übertragungszeiten. Ohne Netzlast zeichnen<br />

sich eindeutige Cluster ab, Bild 6 oben links, hervorgerufen<br />

durch die Asynchronität der Applikationsund<br />

Kommunikationsmaschinen im Profinet-Gerät.<br />

Diese Clusterung verschwindet unter Netzlast, die<br />

Messungen zeigen hier eine breite Streuung der ermittelten<br />

Kenngröße, Bild 6 oben rechts. Für die Interpretation<br />

der Ergebnisgraphen sind unterschiedliche Darstellungsweisen<br />

herangezogen worden, siehe Bild 6<br />

unten links und rechts, um eine ganzheitliche Bewertung<br />

der Tests gewährleisten zu können.<br />

Mit dem vorgestellten Testkonzept von Performanceund<br />

Robustheitstests kann künftig eine Netzreserve im<br />

laufenden Betrieb einer AT-Anlage ermittelt werden.<br />

Für einen Profinet-Strang, beispielsweise innerhalb<br />

einer Linientopologie, können so Aussagen über eine<br />

mögliche Profinet-Netzwerkreserve mit definierter<br />

Profinet-Kommunikation getroffen werden.<br />

Bei den Messungen und der anschließenden Analyse<br />

in den Profinet-Anlagen konnten weiterhin folgende<br />

Kommunikationsanomalien ermittelt werden, die im<br />

Nachgang vom Anlagenbetreiber beseitigt wurden:<br />

Trotz logisch getrennter Netzwerksegmente wurden<br />

zyklische Profinet-Pakete aus einem anderem<br />

Profinet-Netzwerksegment aufgezeichnet! Da die<br />

Zugänge zu den einzelnen Netzwerksegmenten so<br />

konfiguriert sein sollten, dass speziell Profinet-<br />

Kommunikation aus anderen Netzwerksegmenten<br />

nicht weitergeleitet wird, führt dieses Fehlverhalten<br />

zu einer ungewollten und zusätzlichen Netzlast<br />

BILD 4: Generierung und Einspeisung<br />

von definierter Profinet-Netzlast<br />

BILD 5: Topologieauschnitt<br />

einer Profinet-Teilanlage<br />

BILD 6: Verteilungskurven mit und<br />

ohne zusätzlicher Profinet-Netzlast<br />

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

11 / 2014<br />

69


HAUPTBEITRAG<br />

AUTOREN<br />

im analysierten Netzwerksegment, verursacht von<br />

einem fehlerhaft arbeitenden Linien-Switch.<br />

In allen Profinet-Anlagen wurden zyklisch gesendete<br />

Broadcast UDP-Pakete aus anderen Netzwerksegmenten<br />

aufgezeichnet. Die Verarbeitung dieser<br />

verbreiteten Information war allerdings lediglich<br />

<strong>für</strong> die Leitstation bestimmt. Diese Broadcast-Pakete<br />

erzeugten in den Anlagen eine unnötige zusätzliche<br />

Netzlast. Ursache waren falsch konfigurierte<br />

AT-Komponenten. Durch ein Umkonfigurieren<br />

dieser Geräte, was normalerweise nach der<br />

Inbetriebnahmephase der Anlage passieren sollte,<br />

Dipl.-Ing. TINO DOEHRING (geb. 1976)<br />

studierte Elektrotechnik an der<br />

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg<br />

mit dem Schwerpunkt Automatisierungstechnik.<br />

Nach dem Studium<br />

begann er Anfang 2006 seine Tätigkeit<br />

am ifak <strong>für</strong> den Forschungsschwerpunkt<br />

„Eingebettete und kooperative<br />

Systeme“ und ist nun im Geschäftsfeld<br />

„IKT und <strong>Automation</strong>“ aktiv. Seine Arbeitsschwerpunkte<br />

sind unter anderem der industrielle Kommunikationsstandard<br />

Profinet und IT-Security-Aspekte im Bereich der<br />

industriellen <strong>Automation</strong>.<br />

ifak e.V. Magdeburg,<br />

Werner-Heisenberg-Str.1, D-39106 Magdeburg,<br />

Tel. +49 (0) 391 990 14 88,<br />

E-Mail: tino.doehring@ifak.eu<br />

Dr.-Ing. GUNNAR HARTUNG (geb. 1962)<br />

studierte Elektrotechnik an der TU<br />

Ilmenau. Hier promovierte er 1990 im<br />

Bereich Isolier- und Hochspannungstechnik.<br />

Seine berufliche Tätigkeit<br />

begann er am Fraunhofer IFF Magdeburg<br />

im Bereich Automatisierungstechnik.<br />

Nach Tätigkeiten bei BOS Systemhaus<br />

und der ISIK mit den Schwerpunkten<br />

Entwicklung datenbankgestützter Produktionsleitsysteme<br />

zur Qualitäts- und Betriebsdatenerfassung und<br />

Vernetzung von Maschinen und Anlagen in Produktionssystemen<br />

übernahm er am 1.1.2012 die Leitung der Abteilung<br />

Automatisierungstechnik Karosseriebau bei der Audi<br />

AG. Arbeitsschwerpunkte sind die Planung und Realisierung<br />

der Anlagensteuerung der Karosseriebauanlagen <strong>für</strong><br />

die Standorte Ingolstadt, Brüssel, Györ und Mexiko.<br />

Audi AG,<br />

I/PG-C62, D-85045 Ingolstadt,<br />

Tel. +49 (0) 841 893 80 44,<br />

E-Mail: gunnar.hartung@audi.de<br />

konnte von Broadcast- auf Unicastkommunikation<br />

umgestellt und somit die Netzlast in allen nicht<br />

beteiligten Netzwerksegmenten reduziert werden.<br />

AUSBLICK<br />

Die gewonnenen Erfahrungen aus den durchgeführten<br />

Tests und Messungen fließen aktuell in laufende<br />

Foschungsaktivitäten ein. Im Rahmen des Vorhabens<br />

DIA.LYSIS [6] soll ein verteiltes und <strong>modulare</strong>s Framework<br />

zur Netzwerkdiagnose und Prozessdatenanalyse <strong>für</strong><br />

Ethernet-basierte Automatisierungssysteme entwickelt<br />

werden. Eine prototypische Umsetzung erfolgt mit Fokus<br />

auf Profinet. Es sollen neue und typische Anwendungsszenarien<br />

definiert und umgesetzt werden. Im Mittelpunkt<br />

stehen hier Soll-Ist-Vergleiche, die automatisierte<br />

Erkennung von Kommunikationsanomalien, erweiterte<br />

Robustheits- und Stabilitätstests und eine automatische<br />

Analyse der Protokollverteilungen. Weiterhin werden<br />

Methoden zur wissensbasierten Messdatenanalyse, -auswertung<br />

und -aufbereitung herangezogen und die Visualisierung<br />

von Strukturen und Zuständen betrachtet. Das<br />

Ziel ist, mit dem Einsatz des Frameworks speziell Anlagenbetreiber<br />

bei systemorientierten Tests zu unterstützen,<br />

um Störungen oder Anlagenausfallzeiten zu minimieren.<br />

Der Einsatz des Frameworks soll zu jedem Zeitpunkt im<br />

Lebenszyklus einer Automatisierungsanlage innerhalb<br />

des Produktionsnetzwerkes möglich sein. Auch eine Erweiterung<br />

des Testumfangs aufgrund neuer Anforderungen<br />

ist vorgesehen.<br />

MANUSKRIPTEINGANG<br />

12.03.2014<br />

REFERENZEN<br />

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />

[1] IEC 64223: Security for industrial automation and<br />

control systems - Network and system security.<br />

Geneva 2011<br />

[2] VuTAT: Vulnerability Tests of AT Components, Laufzeit:<br />

10/2009 bis 12/2012, Förderkenn zeichen:16231 BG1<br />

[3] ISA Security Compliance Institute;<br />

http://www.isasecure.org/<br />

[4] EDSA-310: Embedded Device Security Assurance<br />

– Common requirements for communication robustness<br />

testing of IP-based protocol implementations Version<br />

1.7. ISA Security Compliance Institute, September 2010<br />

[5] Bundesamt <strong>für</strong> Sicherheit in der Informaionstechnik:<br />

IT-Grundschutz-Kataloge, Online auf<br />

https://www.bsi.bund.de/DE/Themen/ITGrundschutz/ITGrundschutzKataloge/itgrundschutzkataloge_node.html<br />

[6] DIA.LYSIS: Basissystem <strong>für</strong> verteilte Netzwerkdiagnose<br />

und Prozessdatenanalyse. Gefördert durch<br />

BMWI (INNO-KOM-OST, Modul: Vorlaufforschung),<br />

Reg.-Nr.: VF120048<br />

70<br />

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

11 / 2014


PRODUKT & UNTERNEHMEN<br />

Profibus & Profinet International zeigt bei der SPS IPC Drives<br />

mit etwa 100 Mitausstellern neue Technologien<br />

Profibus & Profinet International<br />

(PI) und rund 100 Mitaussteller<br />

präsentieren bei der Messe<br />

SPS IPC Drives in Nürnberg Geräte<br />

und Technologien rund um<br />

Profibus, Profinet und IO-Link.<br />

Messehighlight soll ein Papierflieger-Modell<br />

sein, das in Zusammenarbeit<br />

mit der TU Darmstadt<br />

erstellt wurde und anschaulich die<br />

Funktionsweisen der Technologien<br />

zeigt. Aus einem einfachen Blatt<br />

Papier, das personalisiert bedruckt<br />

werden kann, wird durch spezielle<br />

Falt- und Wendemechanismen ein<br />

präzises Flugobjekt.<br />

Vielfalt und Breite der Technologien<br />

spiegele sich auch in Live-Demos<br />

wider. Mit einer technologieübergreifenden<br />

Multivendor-Wand<br />

zeigt PI die breitgefächerte Produktund<br />

Herstellervielfalt. 15 % der gezeigten<br />

Geräte seien neu zertifiziert.<br />

Vorträge im Forum über neueste Entwicklungen, Trends, Einsatzbereiche<br />

und Vorteile der PI-Technologien informieren die Besucher. Bild: PI<br />

Die Live-Demo von Profibus und<br />

Profinet <strong>für</strong> die Prozessautomatisierung<br />

zeige den einfachen Gerätetausch<br />

und die Diagnose gemäß der<br />

NE107. Die Präsentation werde<br />

durch FDI komplettiert.<br />

IO-Link ist mit 140 Produkten auf<br />

dem Gemeinschaftssand vertreten,<br />

wovon 15 % der Geräte neu auf dem<br />

Markt verfügbar sind. (gz)<br />

www.profibus.com<br />

Demonstration bei Messe:<br />

The Connected Enterprise live erleben<br />

Die Produktion der Zukunft stellt<br />

Rockwell in den Mittelpunkt des<br />

Messeauftritts. Bild: Rockwell<br />

Wie sieht die Produktion der Zukunft<br />

aus? Diese Frage steht im<br />

Mittelpunkt des diesjährigen Messeauftritts<br />

von Rockwell <strong>Automation</strong><br />

auf der SPS IPC Drives. Das Unternehmen<br />

präsentiert „The Connected<br />

Enterprise“, einen Ansatz,<br />

der zeigt, wie die Prinzipien von<br />

Industrie 4.0 in der Praxis genutzt<br />

werden können.<br />

An einer simulierten Produktionsstraße<br />

können sich Besucher<br />

über die Vorteile vernetzter Unternehmen<br />

informieren. Sie können an<br />

Software-Stationen am Stand direkt<br />

Produktionsdaten aus der simulierten<br />

Produktionsstraße auslesen<br />

und die Vorteile von Echtzeitdaten<br />

<strong>für</strong> eine schnelle Entscheidungsfindung<br />

kennenlernen.<br />

Teil der Produktionsstraße sind<br />

ein Prozess-Skid, die Servoantriebslösung<br />

iTrak und ein Trayfeeder.<br />

Das iTrak-System ist ein <strong>modulare</strong>s,<br />

skalierbares Linearmotorsystem,<br />

das die Leistungsfähigkeit bei vielen<br />

Anwendungen erhöht. Das flexible<br />

Palettenwechselsystem Trayfeeder<br />

eines deutschen Maschinenbauers<br />

demonstriert Flexibilität und<br />

Leistung und wird komplett mit<br />

dem Midrange-Portfolio von Rockwell<br />

<strong>Automation</strong> gesteuert. (gz)<br />

www.rockwellautomation.de<br />

Führungswechsel<br />

bei Phoenix Contact<br />

um 1. Januar 2015 wird Frank<br />

Z Stührenberg, Geschäftsführer<br />

Vertrieb, Vorsitzender der Geschäftsführung<br />

der Phoenix Contact<br />

GmbH & Co KG. Er übernimmt damit<br />

das Amt sowie die Aufgaben,<br />

die bisher Klaus Eisert als geschäftsführender<br />

Gesellschafter innehatte.<br />

Die Zuständigkeit <strong>für</strong> den Geschäftsbereich<br />

Vertrieb behält Stührenberg<br />

weiterhin inne. Auch die<br />

gemeinsame Verantwortung sowie<br />

Zuständigkeiten der vier anderen<br />

Geschäftsführer bleiben bestehen.<br />

Klaus Eisert, der seit 2006 keinem<br />

Geschäftsbereich mehr vorstand,<br />

bleibt weiterhin dem Unternehmen<br />

erhalten. Jetzt gilt sein Augenmerk<br />

der Bildung eines Beirats, der sich<br />

aus Gesellschaftern sowie externen<br />

Personen zusammensetzt. Dieser<br />

Beirat wird zukünftig das Bindeglied<br />

zwischen der angestellten Geschäftsführung<br />

sowie den Familien-<br />

Gesellschaftern darstellen. (gz)<br />

www.phoenixcontact.com<br />

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

11 / 2014<br />

71


PRODUKT & UNTERNEHMEN<br />

Scada-Lösungen<br />

<strong>für</strong> Industrie 4.0<br />

Copa-Data präsentiert auf der SPS<br />

IPC Drives durchgängige Lösungen<br />

<strong>für</strong> Industrie 4.0: Lösungen<br />

<strong>für</strong> industrielle Umgebungen, die<br />

vollständige Integration in Wertschöpfungs-<br />

und Geschäftsprozesse<br />

ermöglichen, sich durch Flexibilität<br />

und Erweiterbarkeit auszeichnen,<br />

ergonomisch sind und Ressourceneffizienz<br />

zum Ziel haben.<br />

Basis da<strong>für</strong> ist die Zenon-Produktfamilie.<br />

Damit sei es möglich,<br />

Lösungen <strong>für</strong> die Steuerung, Visualisierung<br />

und Datenanalyse aufzubauen,<br />

die sich flexibel anpassen<br />

und ergonomisch bedienen lassen.<br />

Dank der Offenheit und Plattformunabhängigkeit<br />

könnten Zenonbasierende<br />

Anwendungen – horizontal<br />

wie vertikal – sehr einfach<br />

in bestehende wie neue Infrastrukturen<br />

integriert werden. Zudem ermögliche<br />

Zenon vernetzte, sichere<br />

Kommunikation.<br />

Möglich seien etwa Anlagen- und<br />

unternehmensübergreifende Datenanalyse<br />

mit Zenon in der Cloud.<br />

Ebenso lasse sich die Ressourceneffizienz<br />

steigern, da man mit Zenon<br />

alle betrieblichen Energie- und Verbrauchsdaten<br />

messen, erfassen,<br />

sammeln, analysieren und weiterverarbeiten<br />

könne. Einen weiteren<br />

Messeschwerpunkt legt Copa-Data<br />

in das Thema Security. (gz)<br />

Auf Zenon-Basis lassen sich auch<br />

Lösungen zum Energie-Management<br />

realisieren Bild: Copa-Data<br />

www.copadata.de<br />

Kabel- und lüfterlos soll neuer Box-PC<br />

auch im widrigen Umfeld bestehen<br />

Kompakt, zuverlässig und robust –<br />

mit diesen Eigenschafen soll der<br />

DC-1100 überzeugen. Bild: Comp-Mall<br />

Einen nach eigenen Angaben besonders<br />

zuverlässigen und robusten,<br />

lüfterlosen und kabellosen<br />

Box-PC stellt Comp-Mall mit dem<br />

Modell DC-1100 vor. Mit dem<br />

4 Kern-Intel-Atom-Prozessor E3845<br />

Quad Core, 1.91 GHz, soll es die industrielle<br />

Nachfrage nach hoher<br />

Leistungsdichte und Flexibilität bei<br />

geringer TDP auf kleinem Raum be-<br />

IO-Link 1.1 <strong>für</strong> den letzten Meter zu I4.0<br />

B<br />

&R stellt zwei neue Master-Module<br />

zur digitalen Kommunikation<br />

mit je 4 intelligenten Feldgeräten<br />

über IO-Link 1.1 vor: Das X20D-<br />

S438A gemäß Schutzart IP20 und<br />

das X67DS438A in Schutzart IP67<br />

<strong>für</strong> die Verwendung außerhalb des<br />

Schaltschranks. Die Vision Industrie<br />

4.0 postuliert, dass Werkstücke<br />

selbstständig durch den Produktionsprozess<br />

wandern und eigenständig<br />

ihre Produktion steuern. Dazu<br />

muss die Sensorik ausgebaut werden.<br />

Selbst bei recht einfachen Sensoren<br />

steigt die <strong>Intelligenz</strong>. Der digitale<br />

Parametersatz ersetzt mehr und<br />

mehr das Einstell-Potenziometer.<br />

Für den letzten Meter vom I/O-<br />

Modul zum Sensor oder Aktor setzt<br />

B&R daher bereits seit Jahren auf<br />

den internationalen Kommunikationsstandard<br />

IO-Link. Als bidirektionale,<br />

digitale Kommunikationsschnittstelle<br />

<strong>für</strong> den Feldbereich<br />

erlaubt dieser auch den Austausch<br />

von Parameterdaten und Diagnoseinformationen<br />

und ermöglicht so<br />

eine intelligente Anbindung von<br />

friedigen. Kabelloses Design verhindere<br />

Ausfälle durch Kabelbruch,<br />

gute Wärmeableitung lasse<br />

den Lüfter überflüssig werden, und<br />

das widerstandsfähige Metallgehäuse<br />

biete mechanischen Schutz.<br />

Mit 185 x 131 x 54mm sei das Modell<br />

DC-1100 ideal <strong>für</strong> platzkritische<br />

Verhältnisse beispielsweise<br />

im industriellen Umfeld, in Sicherheitsanwendungen,<br />

im mobilen<br />

Einsatz oder in der Gebäudeautomation.<br />

Der große Temperaturbereich von<br />

–20°C bis 60°C und der Schutz gegen<br />

Stöße und Vibration lasse auch<br />

mobilen Betrieb in Pkw, Omnibus<br />

oder Lkw, Schiff oder Zug zu. Für<br />

den Internet-of-Things-Bereich eigne<br />

sich das Modell DC-1100 durch<br />

seine hohe Rechenleistung als intelligenter<br />

Control Server. (gz)<br />

www.comp-mall.de<br />

Mit IO-Link 1.1 im X20-System von<br />

B&R vereinfacht sich die Anbindung<br />

der Sensorik. Bild: B&R<br />

Sensoren und Schaltgeräten an die<br />

Steuerungsebene. Die Vereinheitlichung<br />

der Kommunikation zu den<br />

Endgeräten vereinfacht entscheidend<br />

deren Integration. Zudem erleichtert<br />

die zentrale Parameterverwaltung<br />

deren Austausch. Damit ist<br />

IO-Link die ideale Ergänzung zum<br />

industriellen Echtzeit-Ethernet Powerlink.<br />

(gz)<br />

www.br-automation.com<br />

72<br />

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

11 / 2014


Mit webbasierter Visualisierungssoftware<br />

die Automatisierung komplett im Blick<br />

Mit der webbasierten Visualisierungssoftware<br />

PASvisu zeigt<br />

Pilz den Anwendern bei der SPS IPC<br />

Drives eine Software <strong>für</strong> den Bereich<br />

Bedienen und Beobachten, die<br />

zugleich leistungsstark und einfach<br />

zu handhaben sei.<br />

Die plattformunabhängige Visualisierung<br />

beruhe auf aktuellsten<br />

Webtechnologien wie HTML 5,<br />

CSS3 und JavaScript. PASvisu ist<br />

Pilz zufolge intuitiv zu bedienen<br />

und biete gestalterische Freiheit <strong>für</strong><br />

Projekte: Mit PASvisu will Pilz seinen<br />

Anspruch als Komplettanbieter<br />

<strong>für</strong> die sichere Automatisierung<br />

unterstreichen. Die Visualisierungssoftware<br />

ermögliche es, über<br />

den PASvisu Builder Visualisierungsprojekte<br />

einfach zu erstellen<br />

und zu konfigurieren.<br />

Dank des Zugriffs auf alle Daten<br />

eines Automatisierungsprojekts inklusive<br />

aller Prozessvariablen und<br />

OPC-Namensräume entfalle die fehleranfällige,<br />

manuelle Eingabe sowie<br />

Zuordnung von Variablen. So<br />

ließen sich zum Beispiel auch Informationen,<br />

wie die Checksumme des<br />

Projekts oder die Firmware-Version<br />

des Steuerungs-Kopfes abrufen.<br />

Auswählbare Styles über CSS3<br />

sorgen laut Pilz mit nur einem<br />

Klick <strong>für</strong> ein einheitliches, projektweites<br />

Erscheinungsbild. Vordefinierte<br />

grafische Eingabe- und Anzeigeelemente,<br />

sogenannte Kacheln,<br />

böten bereits alle relevanten<br />

Eigenschaften, wie Präfix, Suffix<br />

und Fehlerstatus.<br />

(gz)<br />

www.pilz.com<br />

Leistungsstark und einfach zu<br />

bedienen sei die webbasiserte<br />

Visualisierungssoft ware PASvisu,<br />

betont der Hersteller. Bild: Pilz<br />

Neue Lösungen <strong>für</strong> Softwareengineering und Mechatronik<br />

sollen Maschinenaufgaben einfach und sicher umsetzen<br />

Auf der SPS IPC Drives zeigt Lenze,<br />

Spezialist <strong>für</strong> Motion Centric<br />

<strong>Automation</strong>, neueste Lösungen aus<br />

den Bereichen Softwareengineering<br />

und Mechatronik, mit denen sich<br />

Maschinenaufgaben möglichst einfach<br />

und sicher umsetzen sowie<br />

Engineering-Aufwände wesentlich<br />

reduzieren lassen.<br />

Highlights auf dem Messestand<br />

sind Softwarebausteine <strong>für</strong> die Robotik<br />

als aktuelle Ergänzung der<br />

bewährten Application Software<br />

Toolbox Lenze Fast, ein neuartiges<br />

gestengesteuertes Bediensystem <strong>für</strong><br />

die Maschinenvisualisierung sowie<br />

mechatronische Antriebspakete <strong>für</strong><br />

die Fördertechnik.<br />

Stark sieht sich Lenze besonders<br />

bei <strong>modulare</strong>n, standardisierten<br />

und wiederverwendbaren Softwarebausteinen.<br />

Aktuellster Neuzugang<br />

innerhalb der seit Jahren<br />

bewährten Application Software<br />

Toolbox Fast sind komplette vorgefertigte<br />

Module <strong>für</strong> die Robotik.<br />

Mit ihnen gelingt Lenze zufolge<br />

die Integration der Kinematiken in<br />

die Gesamtautomatisierung und<br />

deren Bewegungsfunktionen sehr<br />

einfach. Sie beinhalten Technologiemodule<br />

<strong>für</strong> Pick & Place-Bewegungsfunktionen<br />

sowie die entsprechende<br />

Koordinatentransformation<br />

<strong>für</strong> unterschiedliche Kinematiken,<br />

basierend auf PLCopen<br />

Part 4. Engineering und Support<br />

würden auf diese Weise deutlich<br />

vereinfacht.<br />

Einfaches Bedienen und Beobachten<br />

von Maschinen ermögliche das<br />

neuartige und benutzerfreundliche<br />

multitouchbasierte Bediensystem<br />

<strong>für</strong> die Visualisierung. Es überzeuge<br />

durch gestengesteuerte ergonomische<br />

Bedienung wie sie bei Smartphones<br />

und Tablets bekannt ist. (gz)<br />

www.Lenze.com/de<br />

Lenze will Maschinenbauern die Realisierung von Maschinenkonzepten<br />

erleichtern und Freiräume <strong>für</strong> Alleinstellungsmerkmale geben. Foto: Lenze SE<br />

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

11 / 2014<br />

73


IMPRESSUM / VORSCHAU<br />

IMPRESSUM<br />

VORSCHAU<br />

Verlag:<br />

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH<br />

Arnulfstraße 124, D-80636 München<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 0<br />

Telefax + 49 (0) 89 203 53 66 99<br />

www.di-verlag.de<br />

Geschäftsführer:<br />

Carsten Augsburger, Jürgen Franke<br />

Verlagsleiterin:<br />

Kirstin Sommer<br />

Spartenleiterin:<br />

Kirstin Sommer<br />

Herausgeber:<br />

Dr.rer.nat. Thomas Albers<br />

Dr. Gunther Kegel<br />

Dipl.-Ing. Hans-Georg Kumpfmüller<br />

Dr.-Ing. Wilhelm Otten<br />

Beirat:<br />

Dr.-Ing. Kurt Dirk Bettenhausen<br />

Prof. Dr.-Ing. Christian Diedrich<br />

Prof. Dr.-Ing. Ulrich Epple<br />

Prof. Dr.-Ing. Alexander Fay<br />

Prof. Dr.-Ing. Michael Felleisen<br />

Prof. Dr.-Ing. Georg Frey<br />

Dipl.-Ing. Thomas Grein<br />

Prof. Dr.-Ing. Hartmut Haehnel<br />

Dipl.-Ing. Tim-Peter Henrichs<br />

Dr.-Ing. Jörg Kiesbauer<br />

Dipl.-Ing. Gerald Mayr<br />

Dr.-Ing. Josef Papenfort<br />

Igor Stolz<br />

Dr. Andreas Wernsdörfer<br />

Dipl.-Ing. Dieter Westerkamp<br />

Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich<br />

Dr.rer.nat. Christian Zeidler<br />

Organschaft:<br />

Organ der GMA<br />

(VDI/VDE-Gesell schaft Messund<br />

Automatisierungs technik)<br />

und der NAMUR (Interessengemeinschaft<br />

Automatisierungstechnik<br />

der Prozessindustrie).<br />

Redaktion:<br />

Markus Hofelich (verantwortlich)<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 33<br />

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

Gerd Scholz (gz)<br />

Einreichung von Hauptbeiträgen:<br />

Prof. Dr.-Ing. Leon Urbas<br />

(Chefredakteur, verantwortlich<br />

<strong>für</strong> die Hauptbeiträge)<br />

Technische Universität Dresden<br />

Fakultät Elektrotechnik<br />

und Informationstechnik<br />

Professur <strong>für</strong> Prozessleittechnik<br />

D-01062 Dresden<br />

Telefon +49 (0) 351 46 33 96 14<br />

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

Fachredaktion:<br />

Dr.-Ing. Michael Blum<br />

Dipl.-Ing. Heinrich Engelhard<br />

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jasperneite<br />

Dr.-Ing. Bernhard Kausler<br />

Dr.-Ing. Niels Kiupel<br />

Prof. Dr.-Ing. Gerrit Meixner<br />

Dr.-Ing. Jörg Neidig<br />

Dipl.-Ing. Ingo Rolle<br />

Dr.-Ing. Stefan Runde<br />

Prof. Dr.-Ing. Frank Schiller<br />

Bezugsbedingungen:<br />

„<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> – Automatisierungs technische<br />

Praxis“ erscheint monatlich mit Doppelausgaben<br />

im Januar/Februar und Juli/August.<br />

Bezugspreise:<br />

Abonnement jährlich: € 519,– + € 30,–/ € 35,–<br />

Versand (Deutschland/Ausland);<br />

Heft-Abonnement + Online-Archiv: € 704,70;<br />

ePaper (PDF): € 519,–; ePaper + Online-Archiv:<br />

€ 674,70; Einzelheft: € 59,– + Versand;<br />

Die Preise enthalten bei Lieferung in EU-<br />

Staaten die Mehrwertsteuer, <strong>für</strong> alle übrigen<br />

Länder sind es Nettopreise. Mitglieder der<br />

GMA: 30% Ermäßigung auf den Heftbezugspreis.<br />

Bestellungen sind jederzeit über den Leserservice<br />

oder jede Buchhandlung möglich.<br />

Die Kündigungsfrist <strong>für</strong> Abonnement aufträge<br />

beträgt 8 Wochen zum Bezugsjahresende.<br />

Abonnement-/Einzelheftbestellung:<br />

DataM-Services GmbH, Leserservice <strong>atp</strong><br />

Herr Marcus Zepmeisel<br />

Franz-Horn-Str. 2, 97082 Würzburg<br />

Telefon + 49 (0) 931 417 04 59<br />

Telefax + 49 (0) 931 417 04 94<br />

leserservice@di-verlag.de<br />

Verantwortlich <strong>für</strong> den Anzeigenteil:<br />

Inge Spoerel<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 22<br />

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

Kirstin Sommer (Key Account)<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 36<br />

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

Angelika Weingarten (Key Account)<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 13<br />

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

Es gelten die Preise der Mediadaten 2014<br />

Anzeigenverwaltung:<br />

Brigitte Krawczyk<br />

Telefon + 49 (0) 89 203 53 66 12<br />

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

Art Direction / Layout:<br />

deivis aronaitis design | dad |<br />

Druck:<br />

Druckerei Chmielorz GmbH,<br />

Ostring 13,<br />

D-65205 Wiesbaden-Nordenstadt<br />

Gedruckt auf chlor- und<br />

säurefreiem Papier.<br />

Die <strong>atp</strong> wurde 1959 als „Regelungstechnische<br />

Praxis – rtp“ gegründet.<br />

DIV Deutscher Industrieverlag<br />

GmbH München<br />

Die Zeitschrift und alle in ihr enthaltenen<br />

Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich<br />

geschützt. Mit Ausnahme der gesetzlich<br />

zugelassenen Fälle ist eine Verwertung ohne<br />

Ein willigung des Verlages strafbar.<br />

Gemäß unserer Verpflichtung nach § 8<br />

Abs. 3 PresseG i. V. m. Art. 2 Abs. 1c DVO<br />

zum BayPresseG geben wir die Inhaber<br />

und Beteiligungsverhältnisse am Verlag<br />

wie folgt an:<br />

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH,<br />

Arnulfstraße 124, D-80636 München.<br />

Alleiniger Gesellschafter des Verlages<br />

ist die ACM-Unternehmensgruppe,<br />

Ostring 13,<br />

D-65205 Wiesbaden-Nordenstadt.<br />

ISSN 2190-4111<br />

DIE AUSGABE 12 / 2014 DER<br />

ERSCHEINT AM 11.12.2014<br />

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Sicherheit automatisiert<br />

Trends der Technik und<br />

des Engineering<br />

IT-Sicherheit in der<br />

Automatisierung<br />

Aus aktuellem Anlass können sich die Themen<br />

kurzfristig verändern.<br />

LESERSERVICE<br />

E-MAIL:<br />

leserservice@di-verlag.de<br />

TELEFON:<br />

+ 49 (0) 931 417 04 59<br />

74<br />

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

11 / 2014


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