atp edition Instandhaltungsstrategien für PLT-Schutzeinrichtungen (Vorschau)
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11 / 2012<br />
54. Jahrgang B3654<br />
Oldenbourg Industrieverlag<br />
Automatisierungstechnische Praxis<br />
<strong>Instandhaltungsstrategien</strong> <strong>für</strong><br />
<strong>PLT</strong>-<strong>Schutzeinrichtungen</strong> | 28<br />
In Echtzeit: RFID-gestütztes<br />
Produktionsassistenzsystem | 36<br />
Effizientes Testen heterogener<br />
Leitsystemkonfigurationen | 46<br />
Geräteintegration<br />
mit FDI und OPC UA | 56
Print wirkt<br />
„<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>“ ist ein Printtitel auf höchster<br />
Qualitätsstufe und mit Nachhaltigkeit im<br />
Sinne wiederkehrender Nutzung. Der Titel<br />
erfüllt den selbstgestellten Anspruch eines<br />
anspruchsvollen und seriösen Magazins <strong>für</strong><br />
Top-Entscheider zwischen Wissenschaft<br />
und Praxis konsequent.<br />
Entsprechend der journalistischen Konzeption<br />
ist Online hintenangestellt. Die Jury<br />
sah hier „die beispielhafte Umsetzung einer<br />
wissenschaftlich ausgerichteten Fachzeitschrift<br />
mit Magazincharakter“.
EDITORIAL<br />
„Von der Handdrossel<br />
zum smarten Stellgerät“<br />
Das ist das Motto der Namur-Hauptsitzung 2012. Stellgeräte-Aktorik ist heute<br />
nicht mehr rein mechanisch, sondern mechatronisch: Mechanik, Elektronik<br />
und Software bestimmen die Funktion. Aktoren sind komplexe Systeme, die<br />
modular aufgebaut sind. Ihre sorgfältige Auslegung ist entscheidend, ihre Bestellung<br />
aus dem Katalog oft unmöglich. Ein Beispiel behandelt der Beitrag<br />
„Maschinenschutz <strong>für</strong> Axialverdichter“.<br />
Sorgfältiges Engineering ist Grundvoraussetzung, um die Diagnosefunktionalitäten<br />
beim digitalen kommunikationsfähigen Stellungsregler am Stellgerät<br />
sinnvoll zu nutzen. Fehlerdiagnose und Condition Monitoring bieten viele Vorteile<br />
<strong>für</strong> das Plant Asset Management, ermöglichen sie doch die gezielte Wartung<br />
und im Idealfall längere Wartungsntervalle. Interessante Aspekte finden sich<br />
hierzu im Beitrag „<strong>Instandhaltungsstrategien</strong> <strong>für</strong> <strong>PLT</strong>-<strong>Schutzeinrichtungen</strong>“.<br />
Beschrieben wird der viel diskutierte Teilhubtest (PST) bei Sicherheitsarmaturen.<br />
Natürlich gibt es auch andere Diagnosefunktionen bei Stellgeräten. Einen<br />
Überblick über die wichtigsten erkennbaren Fehler und über Methoden zur<br />
Fehlerfindung gibt die Namur-Empfehlung NE 107. In der Praxis wird die Fehlerdetektion<br />
am Stellgerät jedoch noch nicht konsequent genutzt. Was sind die<br />
Gründe?<br />
Bei vielen digitalen kommunikationsfähigen Reglern sind die Namur-Forderungen<br />
umgesetzt und liegen ausgewertet als Statusparameter mit Namur-Ampelkodierung<br />
vor. Daran liegt es nicht. Aber Diagnosezuverlässigkeit und Diagnoseeindeutigkeit<br />
sind nicht synonym.<br />
Zwar wird das Symptom richtig erkannt, es können aber – vor allem bei komplexen<br />
Stellgeräten – unterschiedliche Ursachen vorliegen. Mit FDI (Field Device<br />
Integration) könnte die Geräteintegration einfacher werden, zumal sich an der<br />
Normung fast alle Leitsystem-Hersteller beteiligen. Darauf geht der Beitrag „Modellierung<br />
von Geräten mit OPC UA in FDI. Voraussetzung <strong>für</strong> interoperable<br />
Geräteintegration“ ein. Die Nutzung von FDI in der Prozessautomatisierung ermöglicht<br />
mit OPC UA eine standardisierte Zugriffsmöglichkeit, mit der die Gerätedaten<br />
– unabhängig vom Asset Management und Leitsystem – permanent<br />
erfasst und ausgewertet werden. Anders ist eine Optimierung der Anlagen-Performance<br />
nicht möglich.<br />
Neue Funktionen digitaler Stellungsregler, beispielsweise das Energie-Monitoring,<br />
zeigen, wie bedeutsam die Aktorik ist – gewiss auch ein Grund die<br />
Aktorik zum Thema der Namur-Hauptsitzung zu machen.<br />
DR.-ING. JÖRG KIESBAUER,<br />
Mitglied des Vorstandes<br />
Forschung und Entwicklung<br />
Samson AG<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012<br />
3
INHALT 11 / 2012<br />
VERBAND<br />
8 | Die Automatisierungs-Anwender in Europa vereinbaren<br />
eine engere Zusammenarbeit<br />
Verband <strong>für</strong> Start Ups in Berlin gegründet<br />
9 | AMA: Innovationspreis 2013 ausgelobt<br />
Baumtrog führt VDMA Robotik + Automation an<br />
FORSCHUNG<br />
10 | Energieautarke und drahtlose Sensoren <strong>für</strong><br />
Fertigungs- und Prozessautomatisierung entwickelt<br />
TU München und TU Dresden als führende Hochschulen<br />
<strong>für</strong> Nanotechnologie ausgezeichnet<br />
11 | Expertinnen erforschen Mobilität der Zukunft<br />
BRANCHE<br />
12 | Neue Konzepte <strong>für</strong> das Anlagen-Monitoring<br />
SPS IPC Drives 2012: Trendsession und Keynotes kostenfrei besuchen<br />
13 | Sprechstunde: Fragen zu Explosionsschutz stellen<br />
Smart Grid: Automatisierung der neuen Netze beachten<br />
RUBRIKEN<br />
3 | Editorial<br />
66 | Impressum, <strong>Vorschau</strong><br />
4<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
TECHNOLOGIE<br />
SCHAFFT<br />
FORTSCHRITT<br />
DART FELDBUS<br />
PRAXIS<br />
14 | Tradition und Moderne:<br />
Klassische Whiskey-Brennerei profitiert von<br />
moderner Feldkommunikation<br />
18 | Biessenhofener Nestlé-Werk mit Ethernet/IP<br />
modernisiert: Bei Inbetriebnahme viel Zeit gespart<br />
20 | Maschinenschutz <strong>für</strong> Turboverdichter durch<br />
Ventile mit großen Nennweiten und exakten<br />
Regelgüten<br />
24 | Produktion von Sammelheftern:<br />
Kosteneffizienter Sensor lässt falschen Bögen<br />
keine Chance mehr<br />
HAUPTBEITRÄGE<br />
28 | <strong>Instandhaltungsstrategien</strong> <strong>für</strong><br />
<strong>PLT</strong>-<strong>Schutzeinrichtungen</strong><br />
K. MACHLEIDT, L. LITZ,<br />
36 | In Echtzeit: RFID-gestütztes<br />
Produktionsassistenzsystem<br />
R. LEPRATTI, G. HEINECKE, S. LAMPARTER,<br />
J. SCHARNAGL, R. HANSEN<br />
46 | Effizientes Testen heterogener<br />
Leitsystemkonfigurationen<br />
M. HOERNICKE, J. GREIFENEDER, M. BARTH<br />
56 | Geräteintegration mit FDI und OPC UA<br />
D. GROSSMANN, W. MAHNKE<br />
DART Feldbus<br />
Hohe Leistung + Eigensicherheit:<br />
der entscheidende Schritt voraus<br />
Eigensicheres High Power-Trunk<br />
Konzept mit DART Technologie<br />
<strong>für</strong> maximale Sicherheit<br />
ohne Leistungsbegrenzung<br />
Redundante Stromversorgung <strong>für</strong><br />
<br />
Einfache Handhabung mit nur einer<br />
Installationstechnik, minimalem<br />
Wartungsaufwand und leichter<br />
Bedienbarkeit<br />
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www.dart-feldbus.de<br />
Halle 7A<br />
Stand 338<br />
Pepperl+Fuchs<br />
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Lilienthalstraße 200 · 68307 Mannheim<br />
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<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012<br />
5
PRAXIS<br />
6<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2012
VigilantPlant:<br />
das Automatisierungskonzept von Yokogawa<br />
Im Sinne der klassischen Automatisierungspyramide<br />
stellen die vier Initiativen von VigilantPlant Ihren<br />
Weg zur Operational Excellence sicher.<br />
Yokogawa Deutschland GmbH · Broichhofstraße 7-11 · D-40880 Ratingen<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2012<br />
Telefon +49(0)2102- 4983-0 · Telefax +49(0)2102- 4983-22 · www.yokogawa.com/de · info@de.yokogawa.com 7
VERBAND<br />
Die Automatisierungs-Anwender in Europa<br />
vereinbaren eine engere Zusammenarbeit<br />
Die europäischen Verbände von Anwendern der Automatisierung<br />
in der Prozessindustrie wollen enger<br />
zusammenarbeiten. Als ersten Schritt vereinbarten die<br />
Verbände EI, Exera, WIB und Namur einen regelmäßigen<br />
Informationsaustausch und die Einrichtung von gemeinsamen<br />
Arbeitsgruppen <strong>für</strong> die Bereiche funktionale Sicherheit,<br />
Wireless Automation, IT-Security, Auswahl von<br />
Durchflussmessern und Alarm Management.<br />
Darauf einigten sich die Vorstände der europäischen<br />
Verbände bei einer ersten gemeinsamen Sitzung in<br />
Brüssel. Die beteiligten Verbände repräsentieren mehr<br />
als 200 der wichtigsten Anwenderfirmen der Automatisierungstechnik<br />
in Europa und sehen große Chancen<br />
im Erfahrungsaustausch und der Bündelung ihrer jeweiligen<br />
Stärken. Denn die meisten Mitgliedsunternehmen<br />
und auch die meisten Hersteller von Geräten und<br />
Systemen sind heutzutage global aufgestellt. Daher<br />
müssten auch die Verbände, die die Anwenderunternehmen<br />
in den verschiedenen Regionen vertreten, eng<br />
zusammenarbeiten.<br />
Die EEMUA („Engineering Equipment and Materials<br />
Users Association“), die internationale Organisation,<br />
die wesentliche Anwender von Ausrüstung (einschließlich<br />
Automatisierungstechnik) in der Prozessindustrie<br />
repräsentiert, diskutiert zurzeit ebenfalls die Ausdehnung<br />
der Zusammenarbeit mit den anderen Europäischen<br />
Verbänden.<br />
Der Termin <strong>für</strong> die Namur-Hauptsitzung im kommenden<br />
Jahr steht bereits fest: Das Treffen der Interessensgemeinschaft<br />
von Anwendern in der Automatisierungstechnik<br />
in der Prozessindustrie findet 2013 vom 6. bis 8.<br />
November 2013 in Bad Neuenahr statt. Im darauffolgenden<br />
Jahr tagt die Namur vom 5. bis 7. November 2014 in<br />
Bad Neuenahr.<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,<br />
Internet: www.namur.de<br />
Verband <strong>für</strong> Start Ups in Berlin gegründet<br />
Der Bundesverband Deutsche Startups e.V. hat sich im<br />
September in Berlin gegründet. Die Gemeinschaft<br />
setzt sich <strong>für</strong> einen Dialog zwischen Entscheidungsträgern<br />
der Politik und Selbstständigen ein. Außerdem will<br />
die Initiative bürokratische Hürden bei der Gründung<br />
eines Unternehmens einreißen.<br />
In den Gründungsvorstand wurden die Start-up-<br />
Unternehmer Thomas Bachem, David Hanf, Erik Heinelt<br />
und Florian Nöll gewählt. Der Gründungsvorstand<br />
berief Tobias Kollmann, Lehrstuhlinhaber <strong>für</strong> E-Business<br />
und E-Entrepreneurship an der Universität Duisburg-Essen,<br />
und den Unternehmer Marcel ‘Otto’ Yon<br />
in den Beirat.<br />
ahü<br />
BUNDESVERBAND DEUTSCHE STARTUPS E.V.,<br />
Liebenwalder Straße 11, D-13347 Berlin,<br />
Tel. +49 (0) 30 609 89 59 10 ,<br />
Internet: www.deutschestartups.org<br />
Wandlungsfähigkeit industrieller AT-Systeme<br />
DIE AUSGABE 55(5) DER ATP EDITION<br />
im Mai 2013 verknüpft Methoden und<br />
Werkzeuge von Ingenieurtechnik und Informatik<br />
zur Konzeption und Implementierung<br />
wandlungsfähiger Automatisierungssysteme.<br />
Ein wandlungsfähiges System<br />
zeichnet sich dadurch aus, dass die Aufwände<br />
zur Anpassung an sich ändernde<br />
Produktionsziele oder Randbedingungen<br />
gegenüber dem Stand der Technik deutlich<br />
reduziert sind. Ihr Beitrag beschreibt beispielsweise<br />
eine Referenzimplementierung,<br />
praxistaugliche Entwurfsmethoden<br />
und Algorithmen oder betrachtet die theoretischen<br />
Grenzen und Möglichkeiten des<br />
Konzepts Wandlungsfähigkeit in verschiedenen<br />
Domänen der Automatisierung.<br />
Wir bitten Sie, bis zum 2. Januar 2013 zu<br />
diesem Themenschwerpunkt einen gemäß<br />
der Autorenrichtlinien der <strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
ausgearbeiteten Hauptbeitrag per E-Mail<br />
an urbas@oiv.de einzureichen.<br />
Die <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> ist die hochwertige Monatspublikation<br />
<strong>für</strong> Fach- und Führungskräfte<br />
der Automatisierungsbranche. In<br />
den Hauptbeiträgen werden die Themen<br />
mit hohem wissenschaftlichem und technischem<br />
Anspruch und vergleichsweise<br />
abstrakt dargestellt. Im Journalteil schlägt<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> die Brücke zur Praxis. Hier werden<br />
Erfahrungen von Anwendern mit neuen<br />
Technologien, Prozessen oder Produkten<br />
beschrieben. Alle Beiträge werden von<br />
einem Fachgremium begutachtet. Sollten<br />
Sie sich selbst aktiv an dem Begutachtungsprozess<br />
beteiligen wollen, bitten wir<br />
um kurze Rückmeldung. Für weitere Rückfragen<br />
stehen wir Ihnen selbstverständlich<br />
gerne zur Verfügung.<br />
Ihre Redaktion der <strong>atp</strong> <strong>edition</strong>:<br />
Leon Urbas, Anne Hütter<br />
CALL FOR<br />
Aufruf zur Beitragseinreichung<br />
Thema: Wandlungsfähigkeit industrieller<br />
AT-Systeme<br />
Kontakt: urbas@oiv.de<br />
Termin: 2. Januar 2013<br />
8<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2 012
AMA: Innovationspreis 2013 ausgelobt<br />
Für den Innovationspreis 2013 des AMA Fachverbands<br />
<strong>für</strong> Sensorik können noch bis zum 21. Januar<br />
2013 Bewerbungen eingereicht werden. Den mit 10 000<br />
Euro dotierten Preis verleiht der Verband <strong>für</strong> Forschungs-<br />
und Entwicklungsleistungen mit erkennbarer<br />
Marktrelevanz aus den Bereichen Sensorik und Messtechnik.<br />
Bewerben können sich Einzelpersonen und<br />
Entwicklerteams mit besonderen Forschungs- und Entwicklungsleistungen.<br />
Im kommenden Jahr wird erstmals<br />
zusätzlich ein Sonderpreis „Junges Unternehmen“<br />
vergeben.<br />
Die Bewerbungen – im Jahr 2012 waren es mehr als 70<br />
Bewerbungen aus aller Welt – werden in einer Broschüre<br />
des Fachverbandes veröffentlicht. „Die Broschüre präsentiert<br />
alle Bewerbungen einer breiten Öffentlichkeit.<br />
Die Industrie erhält so einen Einblick in die aktuellen<br />
Entwicklungen der Sensorik und Messtechnik“, betont<br />
AMA Geschäftsführer Thomas Simmons.<br />
Die zusätzliche Auszeichnung <strong>für</strong> junge Unternehmen<br />
werde ausgelobt, da sich unter den Bewerbungen stets<br />
THOMAS SIMMONS, AMA Geschäftsführer,<br />
betont: In einer Broschüre<br />
werden alle Bewerbungen um den<br />
Innovationspreis einer breiten<br />
Öffentlichkeit präsentiert. Bild: AMA<br />
„viele interessante Entwicklungen gerade auch von jungen,<br />
innovativen Unternehmen finden, die manchmal<br />
jedoch nicht die Entwicklungstiefe etablierter Institutionen<br />
erreichen“, erläutert der Juryvorsitzende Professor<br />
Andreas Schütze von der Universität des Saarlandes. Der<br />
oder die Gewinner können ihre Entwicklung dann auf<br />
der Fachmesse Sensor+Test im Mai 2013 einem ausgewiesenen<br />
Fachpublikum präsentieren.<br />
gz<br />
AMA FACHVERBAND FÜR SENSORIK E.V.,<br />
Sophie-Charlotten-Straße 15, D-14059 Berlin,<br />
Tel. +49 (0) 30 221 90 36 20,<br />
Internet: www.ama-sensorik.de<br />
Baumtrog führt VDMA Robotik + Automation an<br />
Mit guten Nachrichten konnte sich Hans-Dieter Baumtrog<br />
als frisch gewählter Vorstandsvorsitzender<br />
des VDMA-Fachverbands Robotik + Automation in sein<br />
neues Amt einführen: „Unsere Branche befindet sich in<br />
einer ausgezeichneten Verfassung und die weltweite<br />
Nachfrage nach unseren Automatisierungsprodukten und<br />
-lösungen bewegt sich weiterhin auf hohem Niveau. Die<br />
Robotik und Automation wird auf Wachstumskurs bleiben:<br />
Wir rechnen 2013 mit einem Rekord-Branchenumsatz<br />
von 10,8 Milliarden Euro“, berichtete der Geschäftsführer<br />
der Sortimat Assembly Technology in Winnenden.<br />
Baumtrog wurde bei der Mitgliederversammlung des<br />
VDMA Robotik + Automation zum Nachfolger von Dr.<br />
Michael Wenzel, Geschäftsführer der Reis Group Holding,<br />
gewählt, der nach drei Jahren in diesem Ehrenamt turnusmäßig<br />
ausschied. Zum stellvertretenden<br />
Vorsitzenden des Fachverbands<br />
ist Dr. Norbert Stein, geschäftsführender<br />
Alleingesellschafter der<br />
Vitronic Dr.-Ing. Stein Bildverarbeitungssysteme,<br />
gewählt worden. gz<br />
VERBAND DEUTSCHER MASCHINEN-<br />
UND ANLAGENBAU E.V.,<br />
FACHVERBAND ROBOTIK+<br />
AUTOMATION,<br />
Lyoner Straße 18,<br />
D-60528 Frankfurt am Main,<br />
Tel. +49 (0) 69 660 30,<br />
Internet: www.vdma.org<br />
HANS-DIETER<br />
BAUMTROG,<br />
neuer Vorsitzender<br />
des VDMA<br />
Robotik + Auto<br />
mation. Bild: VDMA<br />
Durchflussmessung<br />
auf engstem<br />
Raum?<br />
Der neue CoriolisMaster von ABB ist einer<br />
der kompaktesten Coriolis Masse-Durchflussmesser.<br />
Er benötigt keine Ein- und<br />
Auslaufstrecken. Darum eignet er sich auch<br />
<strong>für</strong> Installationen mit wenig Platz. Erfahren<br />
Sie, warum der CoriolisMaster die bessere<br />
Alternative ist: www.abb.de/durchfluss<br />
Natürlich.<br />
ABB Automation Products GmbH<br />
Tel.: 0800 111 44 11<br />
Fax: 0800 111 44 22<br />
E-Mail: vertrieb.messtechnik-produkte@de.abb.com<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2 012<br />
9
FORSCHUNG<br />
Energieautarke und drahtlose Sensoren <strong>für</strong><br />
Fertigungs- und Prozessautomatisierung entwickelt<br />
ZUVERLÄSSIGE GESCHWINDIGKEIT: ein Funksystem mit<br />
Sensoren in einem industriellen Umfeld. Drahtlose Farbsensoren<br />
sortieren farbige Kugeln.<br />
Bild: Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg<br />
Energieautark betriebene Sensoren <strong>für</strong> die Fabrik- und<br />
Prozessautomatisierung wurden im Rahmen des<br />
Projektes „MIKOA“ entwickelt. „MIKOA“ steht <strong>für</strong> „Miniaturisierte<br />
energieautarke Komponenten mit verlässlicher<br />
drahtloser Kommunikation <strong>für</strong> die Automatisierungstechnik“.<br />
Es handelt sich um einen Zusammenschluss<br />
von Firmen und Forschungsinstituten und<br />
wird im Rahmen des Programms „Mikrosysteme“ vom<br />
Bundesministerium <strong>für</strong> Bildung und Forschung<br />
(BMBF) gefördert.<br />
„Ziel des Projekts war die Miniaturisierung der Funktionsbaugruppen<br />
sowie die Entwicklung einer störsicheren<br />
und zuverlässig arbeitenden drahtlosen Kommunikation<br />
auf Basis neuer Übertragungsverfahren“, sagt Bernd<br />
Kärcher, Projektkoordinator der teilnehmenden Firma<br />
Festo und Leiter Research Mechatronic Components. „Dabei<br />
war die optimale Abstimmung des Leistungsverbrauchs<br />
auf der einen Seite und der Energieversorgung<br />
mit geeig neten Energiewandlern auf der anderen Seite<br />
eine anspruchsvolle Entwicklungsarbeit“, betont Kärcher.<br />
Die wartungsfreien Sensoren können Verbrauchswerte<br />
an verschiedenen Stellen des Prozesses ermitteln. „Mit<br />
den Ergebnissen des Projektes wird es möglich sein, ein<br />
differenzierteres Bild des Energieverbrauches zu bekommen.<br />
Auf dieser Informationsbasis können dann Methoden<br />
zur Verbesserung der Energieeffizienz aufsetzen",<br />
erklärt Professor Gerd Scholl von der Bundeswehr-Universität<br />
Hamburg.<br />
ahü<br />
FESTO AG & CO. KG, ABTEILUNG CR-MC,<br />
Ruiter Straße 82, D-73734 Esslingen,<br />
Tel. +49 (0) 711 347 26 59, Internet: www.de.festo.com<br />
10<br />
TU München und TU Dresden als führende<br />
Hochschulen <strong>für</strong> Nanotechnologie ausgezeichnet<br />
Der deutsche Verband Nanotechnologie (DV Nano) hat<br />
die Technische Universität München und die Technische<br />
Universität Dresden als beste Hochschulen im<br />
DER „NANO-MAIS“ belegt den zweiten Platz im Fotowettbewerb<br />
„Nano-Momente“ 2012 und zeigt ein „Medikamententaxi“,<br />
das Arzneistoffe in Lungenzellen transportieren<br />
soll. Entwickelt wurde das System von Forschern der<br />
Universität des Saarlandes.<br />
Bild: Schneider et al./Deutscher Verband Nanotechnologie<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012<br />
Bereich Nanotechnologie ausgezeichnet. Beide Universitäten<br />
sicherten sich in der Bewertungsskala 85 von<br />
100 Punkten.<br />
Außerdem zeichnete der Verband den besten Newcomer<br />
des Jahres 2012 im Bereich Nanotechnologie aus.<br />
Mit dem Unternehmenspreis wurde die Hannoveraner<br />
Particular GmbH geehrt. Im Journalistenwettbewerb<br />
„Gedankenstrich“, der vom DV Nano und dem NanoBio-<br />
Net ausgelobt wird, setzte sich das Autorenteam Dino<br />
Trescher, Aitziber Romero und Christian Meier mit ihrem<br />
Text „Was es bedeutet, nano zu sein“ (Die Zeit,<br />
43/2011) durch.<br />
Zudem wurden die drei Platzierten des Fotowettbewerbs<br />
ermittelt: Roy Goldberg (München), die Forschungsgruppe<br />
der Universität Saarland im Bereich<br />
„Nanotechnologie“ und Dr. Volker Presser (Leibniz-<br />
Institut <strong>für</strong> neue Materialien Saarbrücken) sicherten<br />
sich Preise. Die Ergebnisse wurden am 1. Deutschen<br />
Nanotag, am 10. Oktober 2012, in Saarbrücken bekannt<br />
gegeben.<br />
ahü<br />
DEUTSCHER VERBAND NANOTECHNOLOGIE E.V.,<br />
Science Park 1, D-66123 Saarbrücken,<br />
Tel. +49 (0) 681 685 73 64, Internet: www.dv-nano.de
Expertinnen erforschen<br />
Mobilität der Zukunft<br />
Explizit Forscherinnen sind gefragt, um neue Konzepte<br />
<strong>für</strong> die Mobilität des 21. Jahrhunderts zu entwickeln.<br />
Der VDE (Verband der Elektrotechnik Elektronik<br />
Informationstechnik e.V.) hat ein Pilotprojekt<br />
gestartet, das weibliches Fachkräftepotenzial nutzt, um<br />
„Mobilität der Zukunft“ zu erforschen. Es wurde im<br />
Rahmen der Hightech-Strategie der Bundesregierung<br />
sowie der Exzellenzinitiative, des Paktes <strong>für</strong> Forschung<br />
und Innovation und des Nationalen Paktes <strong>für</strong> Frauen<br />
in MINT (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft<br />
und Technik)-Berufen, ins Leben gerufen und vom<br />
Bundesministerium <strong>für</strong> Bildung und Forschung<br />
(BMBF) gefördert.<br />
JUNGE FRAUEN AUS DEN MINT-BEREICHEN forschen<br />
im Auftrag des VDE im Bereich „Mobilität der Zukunft“.<br />
Bild: VDE<br />
Halle 7,<br />
Stand 406<br />
Die VDE-MINT-Akademie verfolgt zwei Ziele: innovative<br />
und nachhaltige Ideen und Konzepte <strong>für</strong> die<br />
Mobilität der Zukunft zu entwickeln und den weiblichen<br />
wissenschaftlichen Nachwuchs zu fördern. Im<br />
Rahmen des Themas „Mobilität der Zukunft" wird der<br />
Frage nachgegangen, welche Mobilitätskonzepte sinnvoll<br />
sind, um die räumliche, familien- und berufsbedingte<br />
Mobilität zu ermöglichen und zu optimieren.<br />
Außerdem soll eine fachliche und interdisziplinäre<br />
Plattform geschaffen werden, auf der sich Expertinnen<br />
austauschen können.<br />
Das Projekt ist auf Teilnehmerinnen ausgerichtet, die<br />
sich im universitären oder im unternehmerischen Kontext<br />
mit dem Thema Mobilität und Technologie beschäftigen.<br />
Angesprochen werden Nachwuchswissenschaftlerinnen,<br />
die sich in ihrer Qualifizierungsphase befinden<br />
und bei denen andererseits familiäre Aspekte zunehmend<br />
in den Mittelpunkt rücken.<br />
ahü<br />
VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK<br />
INFORMATIONSTECHNIK E.V.,<br />
Stresemannallee 15,<br />
D-60596 Frankfurt am Main,<br />
Tel. +49 (0) 69 630 80,<br />
Internet: www.vde-mint.de<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012<br />
11
BRANCHE<br />
Neue Konzepte <strong>für</strong> das Anlagen-Monitoring<br />
Die sinkenden Emissionskonzentrationen werfen zahlreiche<br />
Fragen zur Ermittlung und Bewertung von<br />
Emissionen in Industrieanlagen auf: Was sind die optimalen<br />
Einsatzmöglichkeiten <strong>für</strong> verschiedene Messverfahren?<br />
Wie können die Messergebnisse interpretiert und<br />
bewertet werden? Diese und weitere Fragen beantwortet<br />
DIE BEWERTUNG VON EMISSIONEN in Industrieanlagen ist ein<br />
zentrales Thema bei der VDI-Fachtagung zum anlagenbezogenen<br />
Monitoring. Bild: VDI Wissensforum<br />
die 1. VDI-Fachtagung „Anlagenbezogenes Monitoring:<br />
Neue Anforderungen – neue Konzepte“ am 13. und 14.<br />
November 2012 in Nürtingen. Fachlich unterstützt wird<br />
die Tagung von der Kommission Reinhaltung der Luft<br />
im VDI und DIN – Normenausschuss KRdL.<br />
Neben den Auswirkungen der BREF-Novellierung<br />
diskutieren Experten aus Industrie, Behörden und Untersuchungsstellen<br />
die Umsetzung der IED-Richtlinie,<br />
die Anforderungen an Genehmigung und Überwachung<br />
von Anlagen regelt. Über innovative Ansätze zur<br />
Emissionsermittlung und -auswertung berichten Fachleute<br />
unter anderem vom Landesamt <strong>für</strong> Natur, Umwelt<br />
und Verbraucherschutz und Aneco Institut <strong>für</strong> Umweltschutz.<br />
Darüber hinaus präsentieren Experten aus renommierten<br />
Messinstituten Entwicklungen in der kontinuierlichen<br />
Messtechnik, wie beispielsweise bei der<br />
Quecksilbermessung. Thematisiert werden dabei die<br />
Funktionsprüfung, Kalibrierung, Eignungsprüfung und<br />
die Messung.<br />
gz<br />
VDI WISSENSFORUM GMBH,<br />
VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,<br />
Tel. +49 (0) 211 621 42 01, Internet: www.vdi-wissensforum.de<br />
SPS IPC Drives 2012:<br />
Trendsession und Keynotes kostenfrei besuchen<br />
Erstmals kostenfrei zugänglich sind in diesem Jahr Trendsession<br />
und Keynotes des Kongresses <strong>für</strong> alle Messebesucher der SPS IPC<br />
Drives. Am Dienstag, den 27. November 2012, bieten Vorträge zu<br />
„Technologiewandel intelligent gestalten“ und „Vom Internet der Dinge<br />
zur Smart Factory – Auf dem Weg zur 4. industriellen Revolution“<br />
neue Ansätze. Die elektrische Automatisierungstechnik als Ursprung<br />
des stetigen Technologiewandels wird von Dr. Thomas Bürger dargestellt,<br />
sowie die Veränderungen der modernen Kommunikation durch<br />
die Industrie 4.0 von Prof. Dr.-Ing. Detlef Zühlke untersucht. Eine<br />
Cyber Physical Systems<br />
Trendsession am Mittwoch, den 28. November 2012,<br />
stellt nachhaltige Automatisierung vor. Unter Leitung<br />
von Prof. Walter Schumacher Braunschweig wird über<br />
die Analyse der Versorgung mit Rohstoffen, sowie deren<br />
Recycling diskutiert.<br />
sky<br />
MESAGO MESSEMANAGEMENT GMBH,<br />
Rotebühlstraße 83-85, D-70178 Stuttgart,<br />
Tel. +49 (0) 711 61 94 60, Internet: www.www.mesago.com<br />
DIE AUSGABE 55(4) DER ATP EDITION<br />
im April 2013 diskutiert das Thema Cyber<br />
Physical Systems (CPS). CPS sind Verbundsysteme,<br />
die aus der domänenübergreifenden<br />
Verknüpfung von vernetzungsfähigen<br />
eingebetteten Systemen mit<br />
webbasierten Diensten entstehen. Gesucht<br />
sind praxisorientierte Beiträge zur Beschreibung<br />
und Modellierung von CPS-<br />
Komponenten und -Architekturen, den<br />
Integrationsebenen sowie zum En gineering<br />
und zur Implementierung von CPS.<br />
Wir bitten Sie, bis zum 5. Dezember 2012<br />
zu diesem Themenschwerpunkt einen<br />
gemäß der Autorenrichtlinien der <strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
ausgearbeiteten Hauptbeitrag per<br />
E-Mail an urbas@oiv.de einzureichen.<br />
Die <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> ist die hochwertige Monatspublikation<br />
<strong>für</strong> Fach- und Führungskräfte<br />
der Automatisierungsbranche. In<br />
den Hauptbeiträgen werden die Themen<br />
mit hohem wissenschaftlichem und technischem<br />
Anspruch und vergleichsweise<br />
abstrakt dargestellt. Im Journalteil<br />
schlägt <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> die Brücke zur Praxis.<br />
Hier werden Erfahrungen von Anwendern<br />
mit neuen Technologien, Prozessen oder<br />
Produkten beschrieben.<br />
Alle Beiträge werden von einem Fachgremium<br />
begutachtet. Sollten Sie sich selbst<br />
aktiv an dem Begutachtungsprozess beteiligen<br />
wollen, bitten wir um kurze Rückmeldung.<br />
Für weitere Rückfragen stehen<br />
wir Ihnen selbstverständlich gerne zur<br />
Verfügung.<br />
Ihre Redaktion der <strong>atp</strong> <strong>edition</strong>:<br />
Leon Urbas, Anne Hütter<br />
CALL FOR<br />
Aufruf zur Beitragseinreichung<br />
Thema: Cyber Physical Systems<br />
Kontakt: urbas@oiv.de<br />
Termin: 5. Dezember 2012<br />
12<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
Sprechstunde: Fragen zu<br />
Explosionsschutz stellen<br />
Die 3. Explosionsschutz-Sprechstunde, organisiert von<br />
Pepperl+Fuchs und dem Oldenbourg Industrieverlag,<br />
findet am 14. und 15. November 2012 in Mannheim statt.<br />
Bei Vorträgen wie „Typische Fehler bei unterschiedlichen<br />
Zündschutzarten“, „Der korrekte Nachweis der Eigensicherheit“,<br />
„Fachgerechte Reparatur und Prüfung<br />
von explosionsgeschützten Betriebsmitteln“ und „Anforderungen<br />
an die funktionale Sicherheit beim Explosionsschutz“<br />
können sich Anwender aus der Prozessautomatisierung<br />
über Feinheiten beim Explosionsschutz<br />
informieren.<br />
Bei der Sprechstunde haben Teilnehmer die einzigartige<br />
Möglichkeit, Ihre Fragen vorab unter www.explosionsschutz-sprechstunde.de<br />
einzureichen und so die<br />
Themen der Veranstaltung mitzubestimmen. Die zweitägige<br />
Veranstaltung beginnt mit Vorträgen zu dem Thema.<br />
Experten des Explosionsschutzes befassen sich am<br />
zweiten Tag ziel gerichtet mit indiduellen Fragen und<br />
Anliegen rund um die Automatisierungstechnik. Die<br />
Lösungen werden dann in den Workshops erarbeitet.<br />
Weitere Informationen sowie den Veranstaltungsflyer<br />
und die Anmeldung finden Sie auf der Internetseite<br />
www.explosionsschutz-sprechstunde.de. ahü<br />
Innovative<br />
Temperaturmesstechnik.<br />
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Rosenheimer Straße 145, D-81671 München,<br />
Tel. +49 (0) 89 45 05 14 18,<br />
Internet: www.explosionsschutz-sprechstunde.de<br />
Smart Grid: Automatisierung<br />
der neuen Netze beachten<br />
Der Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik<br />
(VDE) hat ein zweiteiliges Positionspapier<br />
zu „Energieinformationsnetzen und -systemen“ veröffentlicht.<br />
Ziel ist es, der Automatisierung von Verteilungsnetzen<br />
bei neuen Energien mehr Aufmerksamkeit<br />
zu schenken. Dem Verband geht es darum, standardisierte<br />
Schnittstellen zwischen den im Energieinformationsnetz<br />
verteilten Komponenten zu schaffen und diese<br />
in eine gemeinsame Plattform zu integrieren.<br />
Außerdem wird die strikte Begrenzung auf rein regulierte<br />
Aufgaben durch den Verband in Frage gestellt.<br />
Künftige Geschäftsmodelle sollten es dem Betreiber erlauben,<br />
auch Aufgaben im „hybriden“ Zwischenbereich<br />
und bei der Unterstützung des regionalen Marktumfelds<br />
zu übernehmen. Das Positionspapier soll als Rahmen<br />
dienen, um die Energiewirtschaft auf künftige Herausforderungen<br />
vorzubereiten. Zusammenfassend fordert<br />
der Verband jedoch, dass die Politik und Regulierungsbehörden<br />
neue "Leitplanken" <strong>für</strong> Verteilungsnetzbetreiber<br />
definieren.<br />
ahü<br />
VDE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK<br />
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<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
6 / 2012<br />
13
PRAXIS<br />
Tradition und Moderne: Klassische Whiskey-Brennerei<br />
profitiert von moderner Feldkommunikation<br />
Remote I/O Excom von Turck optimiert die Kommunikation bei Irish Distillers in der Ex-Zone 1<br />
MICK MCCARTHY überwacht die Whiskey-Herstellung<br />
mit aktuellen Anlagendaten, die über das Turck-Remote-I/O-System<br />
excom an das Leitsystem übermittelt<br />
werden.<br />
HOHE KANALDICHTE: Neben der redundanten<br />
Versorgung finden bis zu 128 binäre oder 64 analoge<br />
Ein-/Ausgänge auf dem excom-Modulträger Platz.<br />
Midleton gilt der Legende nach als Geburtsort des<br />
irischen Whiskeys. Noch heute schlägt in dem kleinen<br />
Ort im Süden von Cork das Herz der irischen Whiskey-Industrie.<br />
In unmittelbarer Nähe der historischen<br />
„Old Distillery“, die inzwischen als Museum fungiert,<br />
produziert die Brennereigruppe Irish Distillers Limited<br />
(IDL) die berühmtesten Destillate der Republik, darunter<br />
Jameson, Paddy und Powers. Der taditionelle Herstellungsprozess<br />
wird seit Kurzem von moderner I/O-<br />
Technik unterstützt: Zwölf Excom-Remote-I/O-Stationen<br />
von Turck sorgen <strong>für</strong> die sichere und transparente Kommunikation<br />
zwischen Leitsystem und Feldgeräten in<br />
Ex-Zone 1.<br />
800 JAHRE WHISKEY-DESTILLATION IN IRLAND<br />
Die Kunst der Whiskey-Destillation, sagt man, wurde von<br />
irischen Wandermönchen nach Europa gebracht. Die Herstellung<br />
von ‚Usice Beatha‘ (Gälisch <strong>für</strong> Wasser des Lebens)<br />
begann vor über 800 Jahren. Zunächst verbreitete<br />
sich die Kultur des Whiskey-Brennens innerhalb der Kirche.<br />
Zu Beginn war das Ergebnis eher zu medizinischen<br />
Zwecken bestimmt, bis das Wissen um die Herstellung<br />
des Getränks die Klostermauern überwand und Brennereien<br />
außerhalb von Klöstern entstanden. Die anregende<br />
Wirkung der Spirituose trat nunmehr in den Mittelpunkt<br />
und die Herstellungsverfahren des irischen Whiskeys<br />
verbesserten sich bis hin zum klassischen Patent-Still-<br />
Verfahren, einem Dreifach-Destillationsprozess, nach dem<br />
irischer Whiskey noch heute hergestellt wird.<br />
Der wohl wichtigste Brennerei-Standort Irlands ist<br />
Midleton. Das Städtchen liegt im Süden, 20 km entfernt<br />
von der Stadt Cork. Im frühen 19. Jahrhundert<br />
rüsteten die Brüder James und Jeremiah Murphy dort<br />
eine alte Wollspinnerei zur Whiskey-Brennerei um<br />
und gründeten damit die Old Midleton Distillery. Im<br />
Verlauf des Jahrhunderts erlebte der irische Whiskey<br />
einen Boom. Der Betrieb in Midleton sicherte damals<br />
schon mit einer Jahresproduktion von 1,5 Mio. Litern<br />
bald 200 Mitarbeitern den Lebensunterhalt. Aus dieser<br />
Zeit stammt auch der Stolz der Old Midleton Distillery:<br />
Die größte Brennblase der Welt. Der rund acht Meter<br />
hohe Kupferkessel fasst über 1211 Hektoliter (32 000<br />
Gallonen) und steht heute vor der eigentlichen neuen<br />
Brennerei in Midleton.<br />
Aufgrund einer Krise im frühen 20. Jahrhundert<br />
muss-ten sich die drei Brennereien Jameson Irish Whiskey,<br />
Powers und Cork Distilleries (zu der auch die Old<br />
Midleton Distillery gehörte) 1966 zur Irish Distillers<br />
Limited (IDL) zusammenschließen. 1975 errichtete die<br />
Gruppe neben der alten Brennerei die New Midleton<br />
Distillery, die einen Großteil der Gesamtproduktion<br />
bündelte. So stieg Midleton zu einem der wichtigsten<br />
irischen Brennerei-Standorte auf.<br />
1988 übernahm der französische Wein- und Spirituosenkonzern<br />
Pernod-Ricard die IDL-Gruppe, die sich unter<br />
neuer Führung schnell erholte. Die Produktionskapazität<br />
der Brennerei in Midleton sollte langfristig verdoppelt<br />
werden. Teil dieses Expansionsplans war, die<br />
14<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
komplette Automatisierungstechnik auf den neuesten<br />
Stand zu bringen. Vor kurzem wurde das neue System<br />
fertig gestellt.<br />
PROFIBUS FÜRS VAT HOUSE<br />
Das alte Automatisierungssystem im so genannten „Vat<br />
House“ bestand aus drei Leitsystemen mit klassischer<br />
Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung bis in den Ex-Bereich. Da<br />
IDL bereits in anderen Bereichen der Brennerei gute Erfahrungen<br />
mit Profibus-Netzwerken gemacht hatte, entschieden<br />
sich die Verantwortlichen wieder <strong>für</strong> eine Feldbuslösung<br />
auf Basis von Profibus DP. Die Motorsteuerungen<br />
sollten mit Devicenet angesprochen werden. Insgesamt<br />
umfasst das neue System 800 I/Os, die an ein<br />
neues Allen-Bradley-Leitsystem angebunden werden<br />
mussten. Als Remote-I/O-Lösung zwischen Leitsystem<br />
und Feldgeräten wählte Irish Distillers Turcks Excom-<br />
System <strong>für</strong> Zone 1. Turcks irischer Vertriebspartner Tektron,<br />
mit Sitz in Cork, unterstützte und beriet IDL bei der<br />
Auswahl und Installation des I/O-Systems.<br />
Um die zahlreichen I/Os zu integrieren, lieferte Turck<br />
zwölf Excom-Remote-I/O-Stationen und vier Segmentkoppler<br />
SC12Ex. So konnten vier redundante, eigensichere<br />
Profibus-Segmente ins Feld geführt werden, die<br />
die maximale Übertragungsrate von 1,5 Megabaud nutzen.<br />
Die Ingenieure mussten dazu allerdings sicherstellen,<br />
dass keines der verwendeten Profibus-DP-Kabel länger<br />
als 200 m ist. Die Excom-Stationen mussten so im<br />
Feld positioniert werden, dass jede von ihnen gut erreichbar<br />
ist und trotzdem die Kabellänge zu den Feldgeräten<br />
möglichst kurz bleibt.<br />
HOHE KANALDICHTE UND HOT-SWAP<br />
Mick McCarthy, E&I-Manager bei IDL, entschied sich<br />
nach einem Vergleich mehrerer Wettbewerbsprodukte<br />
<strong>für</strong> den explosionsgeschützten Bereich <strong>für</strong> Turcks Excom-System,<br />
„unter anderem wegen der hohen Signaldichte<br />
des M18-Modulträgers. Weiterhin überzeugte uns<br />
die Hot-swap-Funktionalität. Dadurch können wir alle<br />
Module der Excom im laufenden Betrieb ziehen und<br />
stecken – ohne die Feldkommunikation zu stören“, so<br />
McCarthy. Ein weiterer Vorteil: Die digitalen Ausgangsmodule<br />
DO40-Ex stellen sich automatisch auf die richtige<br />
Leistung ein – ungeachtet der anliegenden Spannung<br />
und der Stromstärke. So konnte IDL mit einem<br />
einzigen I/O-Kartentyp alle digitalen Ausgänge bestücken.<br />
Das vereinfachte die Anlagenplanung und den<br />
-aufbau erheblich.<br />
Einfach zu realisieren war <strong>für</strong> McCarthy auch die redundante<br />
Kommunikations- und Leistungsversorgung:<br />
„Eine redundante Kommunikationsanbindung der Feldebene<br />
war <strong>für</strong> uns von vornherein eine Grundvoraussetzung.<br />
Allerdings hatten wir uns noch nicht auf Leistungs-Redundanz<br />
festgelegt. Die Leistungsversorgung ist<br />
zurzeit noch einfach ausgeführt. Um Versorgungsredundanz<br />
herzustellen, brauchen wir jetzt aber nur ein weiteres<br />
Netzgerät am Modulträger nachzurüsten. In dieser<br />
konsequenten modularen Bauweise und der resultierenden<br />
Flexibilität sehe ich den größten Vorteil der Excom.“<br />
Die Wartungsingenieure bei IDL schätzen besonders<br />
die LED-Anzeige an jedem einzelnen Modul. Durch das<br />
Sichtfenster in den mitgelieferten Schaltkästen können<br />
sie auf einen Blick den Status jeder Karte erkennen, ohne<br />
den Kasten zu öffnen. IDL hat zusätzlich eine Schaltplanmatrix<br />
außen am Kasten angebracht, die Karten und<br />
Kanäle den jeweiligen Feldgeräten zuordnet.<br />
Die Hochschule Ostwestfalen-Lippe ist mit mehr als 6.000 Studierenden<br />
und über 500 Beschäftigten an den drei Standorten Lemgo, Detmold,<br />
Höxter und dem neuen Studienort Warburg ein wichtiger Bestandteil der<br />
dynamischen Wissenschafts- und Wirtschaftsregion Ostwestfalen-Lippe.<br />
Unsere Markenzeichen sind exzellente Lehre und Forschung.<br />
Im Fachbereich Elektrotechnik und Technische Informatik am<br />
Standort Lemgo ist folgende Professur zum nächstmöglichen Zeitpunkt<br />
zu besetzen:<br />
W2-Stiftungsprofessur<br />
<strong>für</strong> das Lehrgebiet<br />
„Nutzergerechte Gestaltung<br />
von technischen Systemen<br />
mit Schwerpunkt Informatik“<br />
Kennziffer 5.4<br />
Die Professur wird in den ersten fünf Jahren von den Unternehmen<br />
PHOENIX CONTACT GmbH & Co. KG, WINCOR NIXDORF International<br />
GmbH sowie dem Fraunhofer-Anwendungszentrum Industrial<br />
Automation IOSB-INA und der Stiftung Standortsicherung Kreis Lippe<br />
unterstützt. In dem deutschlandweit einmaligen Science-to-Business-<br />
Center CENTRUM INDUSTRIAL IT (CIIT) forschen mit dem Institut <strong>für</strong><br />
Industrielle Informationstechnik (inIT) der Hochschule und dem Fraun hofer<br />
Anwendungszentrum Industrial Automation derzeit über 60 Wissenschaftler/innen<br />
zusammen mit Technologieunternehmen unter einem<br />
Dach an Themen der industriellen Kommunikation, dem Entwurf und der<br />
Simulation von Automatisierungssystemen sowie der Diagnose und dem<br />
<br />
CIIT sind wesentlicher Bestandteil des BMBF-Spitzenclusters „Intelligente<br />
Technische Systeme Ostwestfalen-Lippe (It‘s OWL)“. Die beteiligten<br />
Unternehmen und Einrichtungen sind insbesondere an einer Ausweitung<br />
der Forschungsaktivitäten auf das Gebiet der Mensch-Maschine-Schnittstelle<br />
und der Usability intelligenter technischer Systeme interessiert. Zur<br />
Durchführung dieser Forschungs- und Entwicklungsaufgaben ist daher die<br />
.<br />
Von der Stelleninhaberin/dem Stelleninhaber wird weiterhin die Übernahme<br />
von Grundlagenveranstaltungen in dem Bachelor-Studiengang<br />
„Technische Informatik“ erwartet. Zusätzlich sollen im internationalen<br />
<br />
<br />
Erfahrungen aus den Bereichen moderner Mensch-Maschine-Interaktionstechnologien<br />
und Kognition im Kontext der industriellen Auto mation werden<br />
vorausgesetzt. Hilfreich sind vertiefende Kenntnisse in den Bereichen<br />
Wahrnehmungspsychologie oder Arbeitswissenschaften.<br />
Die Bereitschaft zur teilweisen Durchführung der Lehrveranstaltungen<br />
auch in englischer Sprache und die aktive Beteiligung am Ausbau internationaler<br />
Studiengänge und der Kooperationsbeziehungen zu ausländischen<br />
Hochschulen werden erwartet.<br />
Die Hochschule Ostwestfalen-Lippe vertritt ein Betreuungskonzept,<br />
bei dem eine hohe Präsenz der Lehrenden am Hochschulort und die<br />
Bereitschaft zur Übernahme von Aufgaben in der Selbstverwaltung der<br />
Hochschule vorausgesetzt werden. Die Verlegung des Wohnsitzes<br />
als Lebensmittelpunkt an den Hochschulstandort oder in die nähere Umgebung<br />
ist deshalb erforderlich.<br />
Einstellungsvoraussetzungen:<br />
Bewerber/innen müssen die Voraussetzungen des § 36 Hochschulgesetz<br />
<br />
Auszug aus dem Hochschulgesetz NRW“ auf der Homepage unter<br />
www.hs-owl.de/karriere. Telefonische Auskünfte erhalten Sie unter<br />
05261 702-4068. Weitere Informationen erhalten Sie darüber hinaus<br />
unter www.init-owl.de/stiftungsprofessur.<br />
Die Hochschule Ostwestfalen-Lippe ist im Sinne einer<br />
<br />
beim wissenschaftlichen Personal zu erhöhen, und begrüßt<br />
es deshalb besonders, wenn sich Frauen bewerben.<br />
Schwerbehinderte Bewerber/innen werden bei gleicher<br />
Eignung vorrangig eingestellt.<br />
Ihre Bewerbung richten Sie bitte mit den üblichen Unterlagen bis zum<br />
26. November 2012 unter Angabe der Kennziffer 5.4 an den Präsidenten der<br />
Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Dezernat III, Liebigstraße 87, 32657 Lemgo.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012<br />
15
PRAXIS<br />
IDL HAT ALLE ZWÖLF EXCOM-SCHRÄNKE mit einem<br />
Belegungsplan bestückt, der jeden Ausgang einem<br />
Feldgerät zuordnet.<br />
MICK MCCARTHY (links) zeigt sich mit der Unterstützung<br />
durch Tektron-Vertriebsspezialist Adrian<br />
O’Mahony (rechts) hoch zufrieden.<br />
Im Vat House läuft der zentrale Teil der Whiskey-Destillation<br />
ab. Da der Prozess nicht ohne weiteres einfach<br />
<strong>für</strong> ein paar Stunden gestoppt werden kann, war es <strong>für</strong><br />
IDL von zentraler Bedeutung, dass der Großteil der Installation<br />
und Tests vor der eigentlichen Inbetriebnahme<br />
ausgeführt werden konnte. Das bestehende System musste<br />
solange in Betrieb bleiben, bis ein schneller Wechsel<br />
zum neuen System möglich war. Mit Excom stellte das<br />
kein Problem dar, da die Modulträger und die Verkabelung<br />
installiert werden konnten, ohne die Produktion zu<br />
beeinträchtigen.<br />
Heute profitiert Irish Distillers von den Diagnose-<br />
Tools der Excom. Über das Profibus-DP-Netzwerk können<br />
<strong>für</strong> jeden einzelnen Kanal, die Module oder den<br />
gesamten M18-Modulträger Diagnosen ausgeführt werden,<br />
die per Allen-Bradley-Master im neuen Leitsystem<br />
visualisiert werden.<br />
FAZIT<br />
Irish Distillers hat heute am historischen Whiskey-<br />
Standort Midleton eine neue effiziente Prozessteuerung,<br />
mittels derer die Ingenieure die Anlage und die verschiedenen<br />
Destillationsstufen besser im Blick haben<br />
als je zuvor. Vorhersagende Wartungsroutinen unterstützen<br />
die IDL-Mitarbeiter dabei, die Effizienz der<br />
Anlage zu erhöhen und die Qualität schon vor der Endkontrolle<br />
zu sichern.<br />
Nachdem das Projekt abgeschlossen war und das Kesselhaus<br />
wieder in vollem Betrieb lief, entfernte IDL alte<br />
überflüssige Kabelkanäle, Kabel und die Schalttafeln des<br />
alten Systems. Allein die alten Kabel füllten vier große<br />
Container. Bereiche, die vorher von riesigen Kabelsträngen<br />
versperrt wurden, lassen sich nun betreten. So hat<br />
man nicht nur die Kommunikation optimiert, sondern als<br />
Nebeneffekt gleichzeitig die Gebäudenutzung verbessert.<br />
Das Projekt zeigt, dass traditionelle Herstellungsverfahren<br />
und moderne Automatisierungstechnik sich keineswegs<br />
ausschließen. Irish Distillers und andere Traditionsunternehmen<br />
zeigen, dass sie nur deshalb eine so<br />
lange Tradition besitzen, weil sie im Verlauf ihrer Geschichte<br />
immer wieder bereit waren, ihr Geschäft und<br />
ihre Produktion dem Stand der Zeit anzupassen. Immer<br />
gleich blieb allein die Qualität der irischen Whiskeys.<br />
AUTOR<br />
Tektron,<br />
Tramore House, Tramore Road,<br />
Cork, Ireland,<br />
Tel. 00353 21 4313331,<br />
E-Mail: webenquiry@tektron.ie<br />
FRANK URELL ist Geschäftsführer<br />
der irischen Turck-<br />
Vertretung Tektron.<br />
16<br />
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11 / 2012
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ENTWICKLUNGEN<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012<br />
<strong>atp</strong>!info-Team | Oldenbourg Industrieverlag GmbH | Rosenheimer Straße 145 | 81671 München<br />
17
PRAXIS<br />
Biessenhofener Nestlé-Werk mit Ethernet/IP<br />
mo der nisiert: Bei Inbetriebnahme viel Zeit gespart<br />
Standort mit Automatisierungslösung von Rockwell Automation und Endress+Hauser ausgerüstet<br />
CORIOLIS S-M MESSGERÄTE an der Molke-<br />
Annahmestation<br />
NESTLÉ-WERK IM ALLGÄU: Verfügbarkeit erhöht.<br />
Bilder: Endress+Hauser<br />
Mit 650 Mitarbeitern zählt das Nestlé-Werk in Biessenhofen<br />
zu den größeren Standorten des Nestlé-<br />
Konzerns in Deutschland. Das Werk produziert hypoallergene<br />
Säuglingsnahrung. Zudem werden Zerealien-<br />
Breis der Marke Alete und Beba sowie klinische Trinknahrung<br />
hergestellt. Weitere Produkte sind Kaffeedrinks<br />
der Marke Nescafé Xpress und Thomy-Saucen.<br />
Um die Produktionskapazitäten zu erweitern, sollte<br />
eine ganzheitliche Lösung konzipiert, ein neuer Werksteil<br />
gebaut und von Grund auf automatisiert werden.<br />
Sowohl der Prozessbereich als auch Abfüllung und<br />
Verpackung waren in das Projekt involviert. Die Automatisierungslösung<br />
von Rockwell Automation und<br />
Endress+Hauser erhöht nun zeiteffektiv die Verfügbarkeit<br />
der Anlage.<br />
HOHE LEISTUNGSSTANDARDS DER SYSTEME<br />
Rockwell Automation und Nestlé blicken auf eine lange,<br />
strategische Partnerschaft zurück. „Die Vorteile von<br />
Rock well Automation liegen in dem hohen Leistungsstandard<br />
der Automatisierungssysteme und der globalen<br />
Verfügbarkeit der Systeme und Komponenten“, erklärt<br />
Florian Schreyer, Automation Engineer bei Nestlé<br />
in Biessenhofen. „Rockwell Automation liefert damit<br />
die Basistechnologie, mit der Nestlé eigenes Prozess-<br />
Know-how automatisierungstechnisch standardisieren<br />
kann, ein wesentlicher Schritt, um die Produktsicherheit<br />
zu verbessern und Ingenieurleistungen effizienter<br />
zu nutzen.“<br />
Um dem Anspruch an eine ganzheitliche Lösung zur<br />
Prozessautomatisierung zu genügen, ermöglicht die<br />
strategische Allianz von Endress+Hauser und Rockwell<br />
Automation die Integration intelligenter Geräte<br />
und Ins trumente in die Lösung, sodass die vollständige<br />
Nutzung präziser Daten und Interoperabilität<br />
sichergestellt sind.<br />
KOMPLETTE ÜBERWACHUNG UND DOKUMENTATION<br />
Schnelle Reaktionen auf neue Situationen, Kostenbewusstsein<br />
und der Erhalt von Transparenz bei der<br />
ständig steigenden Komplexität im Produktionsgeschehen<br />
sind zentrale Anforderungen in der Nahrungsmittelindustrie.<br />
Es gibt strenge Hygienevorschriften,<br />
vor allem bei der Produktion von Pulverprodukten<br />
<strong>für</strong> Frühgeborene und Säuglinge. Der komplexe<br />
Herstellungs prozess <strong>für</strong> hypoallergene Babynahrung<br />
ist ohne die rechnergestützte Prozessführung in sehr<br />
engen Toleranzen sehr schwierig. Es müssen komplette<br />
Prozessabläufe geführt, überwacht und dokumentiert<br />
werden.<br />
Rockwell Automation erhielt den Auftrag zur Lieferung<br />
von Schaltschränken mit zirka 50 programmierbaren<br />
Steuerungen Allen-Bradley Control Logix<br />
(PACs), dazugehörigen Schaltern und etwa 150 PowerFlex<br />
Frequenzumrichtern (0,75 KW–315 KW). Die<br />
Automatisierungstechnik basiert auf der ControlLogix<br />
und beinhaltet das Plant Asset Management Tool<br />
FieldCare von Endress+Hauser, PowerFlex mit Safe-<br />
18<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
Torque-off, Flex/Point I/O, Ethernet TCIP, Stratix sowie<br />
integrierte Schaltungen.<br />
Ein strategisches beziehungsweise technologisches<br />
Ziel bei der Automatisierung des Werks Biessenhofen<br />
war die Optimierung von Toleranzen und der Re pro duzier<br />
barkeit. Des Weiteren ging es darum, Qualitätssicherung,<br />
Nachweisführung und Chargenverfolgung<br />
zu verbessern. Nicht zuletzt sollten auch Maschinenund<br />
Prozessfunktionen flexibilisiert werden.<br />
Auf operativer Ebene sollten Verluste und Nachtarbeit<br />
vermieden werden. Auch Durchlaufzeiten und Arbeitskosten<br />
wollten die Biessenhofener reduzieren sowie zudem<br />
ihre Bestände, ihren Flächenbedarf sowie die Überwachungskosten<br />
im Allgemeinen optimieren.<br />
Bei der sicheren Herstellung von Lebensmitteln sind<br />
Mess-Systeme zur Erfassung von Prozess- und Produkteigenschaften<br />
der Dreh- und Angelpunkt im Automatisierungskonzept.<br />
Durch Energiespar- und präventive<br />
Instandhaltungsinitiativen entstehen neue Messaufgaben,<br />
die kostengünstig integriert werden müssen.<br />
Hierzu gehört die Erfassung und Zuordnung von Energieverbräuchen,<br />
Betriebsstunden und Maschinenzuständen.<br />
NESTLÉ ENTSCHIED INSTALLATION VON ETHERNET/IP<br />
Für Nestlé war die standardisierte Physik ausschlaggebend<br />
<strong>für</strong> die Installation von EtherNet/IP. Dies hat<br />
viele Vorteile bei der Planung und Installation der<br />
gesamten Prozessvisualisierung. Die Überwachung des<br />
gesamten Netzwerks durch den Einsatz zentral verwalteter<br />
Switches ist auch im I/O-Netz von Vorteil, um die<br />
Verfügbarkeit des Systems besser gewährleisten zu können.<br />
Probleme werden so erkannt, bevor sie zu einem<br />
Ausfall führen. Die Performance und Flexibilität bei<br />
der Anbindung der Feldgeräte von Rockwell Automation<br />
war nicht zuletzt auch eine Entscheidungshilfe <strong>für</strong><br />
die Projektbeteiligten bei Nestlé.<br />
„Rockwell Automation und Endress+Hauser haben<br />
ihre Produkte und Systeme auf die besonderen Anforderungen<br />
der Nahrungsmittelindustrie ausgerichtet<br />
und gewährleisten so die globale Verfügbarkeit zur Unterstützung<br />
der Systeme und Anwendungen im Lebenszyklus“,<br />
so Schreyer.<br />
Geht es um neue Fertigungseinrichtungen, ist man<br />
sich in Biessenhofen sicher, wird der Einsatz von Ether-<br />
Net/IP bei unmittelbaren Erweiterungen der H.A.-Anlage<br />
fortgesetzt. „Die konsequente Anwendung richtet<br />
sich natürlich auch nach der breiten Verfügbarkeit<br />
von Automatisierungskomponenten mit EtherNet/IP-<br />
Schnittstelle.“<br />
EtherNet/IP ermöglicht Durchgängigkeit im Prozessbereich<br />
und auch die einfache Anbindung sämtlicher<br />
Netz- und Feldgeräte in die Rockwell-Automation-Welt.<br />
„Als das Thema EtherNet/IP bei Nestlé aufkam, ist man<br />
ganz schnell auf Endress+Hauser aufmerksam geworden“,<br />
erinnert sich Manfred Rothen, Sales Manager<br />
Germany bei Rockwell Automation.<br />
Da Endress+Hauser, ein Encompass und Alliance Partner<br />
von Rockwell Automation, zum Projektstart mit der<br />
Produktlinie Promass Coriolis neu die EtherNet/IP-Technologie<br />
eingeführt hatte, passte auch von dieser Seite die<br />
Zusammenarbeit mit Rockwell Automation hervorragend.<br />
Mit dem Level 3 Add-on Profile (AOP) war schließlich<br />
auch zertifiziert, dass die Endress+Hauser Durchfluss-<br />
Messgeräte bestens in das Leitsystem von Rockwell<br />
Automation integriert sind. Beide Partner können eine<br />
ganzheitliche Lösung anbieten, die fast wie ein USB-Stick<br />
plug-and-play-bereit geliefert wird.<br />
„Der Anwender“, so erläutert Dion Bouwer, Product<br />
Manager Fieldbus Systems von Endress+Hauser, „hat auf<br />
diese Weise Daten aus der Anlage in Echtzeit in höher<br />
gelegenen Auswertungssystemen verfügbar und kann so<br />
seine Anlageneffizienz verbessern – das ist Transparenz,<br />
die bares Geld wert ist.“<br />
ERGEBNISSE UND AUSBLICK<br />
Projektstart war im Sommer 2009, die Produktion läuft<br />
seit Sommer 2011 – das Automatisierungsprojekt Biessenhofen<br />
ist <strong>für</strong> beide Seiten ein Erfolg. Marc Scheremet,<br />
Account Manager bei Rockwell Automation bestätigt aus<br />
eigener Erfahrung: „Für ein Projekt dieser Größenordnung<br />
verlief die Umsetzung verhältnismäßig problemlos.“<br />
Rockwell Automation hat nicht nur die Hardware<br />
geliefert, sondern mit seiner SSB-Systemgruppe (Solutions<br />
und Services Business) das Ganze nach höchsten<br />
Standards konzipiert und die Schaltschränke komplett<br />
fertiggestellt übergeben. Insbesondere bei der Inbetriebnahme<br />
der Hardware konnten hohe Zeitersparnisse<br />
erreicht werden.<br />
Die Verwendung von Industrie-Standards vereinfacht<br />
Instandhaltungsmaßnahmen erheblich und das in Biessenhofen<br />
implementierte Asset Management erhöht die Verfügbarkeit<br />
der Anlagen und beschleunigt die Dynamik bei<br />
jeder Veränderung der Fertigungsanlagen.<br />
„Darüber hinaus“, ist Florian Schreyer zuversichtlich,<br />
„erwarten wir eine zukunftssichere Verfügbarkeit der<br />
EtherNet/IP-Technologie. Der Aufwand, die Geräte möglichst<br />
effektiv einzubinden, hat den riesigen Vorteil,<br />
möglichst viele Informationen von zentraler Stelle aus<br />
abfragen zu können.“<br />
AUTOR<br />
Endress+Hauser Messtechnik GmbH+Co. KG,<br />
Colmarer Straße 6,<br />
79576 Weil am Rhein,<br />
Tel.: +49 (0) 7621 975 410,<br />
E-Mail: www.de.endress.com<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012<br />
19
PRAXIS<br />
Maschinenschutz <strong>für</strong> Turboverdichter durch Ventile<br />
mit großen Nennweiten und exakten Regelgüten<br />
Stahlwerk im indischem Rourkela mit Anti-Surge-Ventilen von Samson ausgerüstet<br />
Die Samson AG, ein Anbieter <strong>für</strong> Stellgeräte, hat die<br />
MAN Turbo AG <strong>für</strong> ein indisches Stahlwerk mit einem<br />
aufwendigen Anti-Surge-Ventil ausgerüstet. Anti-<br />
Surge-Ventile werden eingesetzt, um Turboverdichter vor<br />
einer Zerstörung zu bewahren und damit den unversehrten<br />
Zustand der gesamten Anlage zu sichern.<br />
ANTI-SURGE-VENTIL SICHERT DEN VERDICHTER<br />
Axial- und Radialverdichter sind Strömungsmaschinen,<br />
die in der Industrie eingesetzt werden, um den<br />
Druck bei großen Mengen von Luft- oder Prozessgas<br />
zu erhöhen. Eingesetzt werden sie beispielsweise zur<br />
Druckerhöhung in Gas-Pipelines, als Hochofen- und<br />
Stahlwerksgebläse, in petrochemischen Anlagen und<br />
Raffinerien oder in Anlagen zur Luft- beziehungsweise<br />
Gasverflüssigung. Ihre Funktionsweise sichert<br />
ein Anti-Surge-Ventil.<br />
Samson ist seit vielen Jahren im Bereich der Anti-Surge-Ventile<br />
erfolgreich aktiv. Eine Anfrage der MAN Turbo<br />
AG (heute MAN Diesel & Turbo SE) im Jahr 2009 veranlasste<br />
den Frankfurter Stellgeräteanbieter, die Angebotspalette<br />
im Bereich sehr großer Nennweiten auszubauen.<br />
In einem konkreten Fall, nämlich in dem von<br />
MAN Turbo ausgerüsteten Stahlwerk in Rourkela (Indien),<br />
sollten <strong>für</strong> die genaue Dosierung der Luftzufuhr<br />
Axialverdichter eingesetzt werden, um die Hochöfen mit<br />
der geforderten Luftmenge bei einem Druck von 3 bis 6<br />
bar zu versorgen.<br />
Kommt es anlagenbedingt zu einer plötzlichen ungewollten<br />
Verringerung des benötigten Volumenstroms,<br />
zum Beispiel durch eine (Teil-)Notabschaltung, erfolgt<br />
ein schlagartiger Druckanstieg auf der Ausgangsseite des<br />
Verdichters. Durch diese Erhöhung des Nachdrucks<br />
kann es sein, dass der Verdichter in einem instabilen<br />
Betriebszustand arbeitet. Dieser Zustand wird bei Verdichtern<br />
als Pumpen (engl. surge) bezeichnet. Aufgrund<br />
der geänderten Druckdifferenz zwischen Ein- und Ausgangseite<br />
kehrt sich die Strömungsrichtung am Verdichter<br />
um. Sinkt nun der Druck auf der Ausgangseite durch<br />
die Strömungsumkehr ab, erfolgt abermals eine Umkehr<br />
der Fluidförderung, was zu einem erneuten Anstieg des<br />
Drucks auf der Ausgangsseite führt. Ist danach die ursprüngliche<br />
Ursache anlagenseits nicht beseitigt, ergibt<br />
sich ein zyklischer Prozess.<br />
ANTI-SURGE-VENTIL VON SAMSON, NPS 24, CLASS 150.<br />
MASSIVE GEFAHR DES VERDICHTER-VERSAGENS<br />
Da der Zustand der Strömungsumkehr aufgrund der geänderten<br />
Schaufelumströmung zu einer Änderung der<br />
Kräfte auf die Schaufeln führt und, bedingt durch den<br />
zyklischen Ablauf, eine Schwingungsbelastung auftritt,<br />
liegt eine massive Gefahr des Versagens der Verdichterschaufeln<br />
vor. Hinzu kommt, dass durch die Unterbrechung<br />
einer dauerhaften Fluidförderung nunmehr immer<br />
das gleiche Volumen durch den Verdichter bewegt<br />
wird. Die eingebrachte Leistung (häufig im Megawatt-<br />
Bereich) bewirkt zudem eine schnelle Aufheizung des<br />
Mediums. Fluid und Verdichter können sich in deutlich<br />
weniger als einer Minute um mehrere hundert Grad Cel-<br />
20<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
sius erwärmen. Die damit einhergehende Herabsetzung<br />
der mechanischen Belastbarkeit beschleunigt die Schaufelzerstörung<br />
zusätzlich. So kann das Pumpen des Verdichters<br />
zu seiner vollständigen Zerstörung und einem<br />
langfristigen Ausfall der Anlage führen.<br />
Aufgrund der hohen Investitionskosten eines Turboverdichters,<br />
die häufig im sechsstelligen Bereich liegen,<br />
ist eine Zerstörung des Verdichters unter allen Umständen<br />
zu vermeiden. Aus diesem Grund werden sogenannte<br />
Anti-Surge-Ventile (ASV) eingesetzt, die den Druck<br />
auf der Ausgangsseite schnellstmöglich senken. Je nach<br />
Arbeitsweise werden ASVs in zwei verschiedene Typen<br />
unterteilt: Zum einen wird der Druck der Ausgangsseite<br />
abgebaut, indem durch eine Bypassleitung zum Verdichter<br />
das Volumen von der Ausgangsseite auf die Eingangsseite<br />
transportiert wird. Diese Ventile werden als (Re-)<br />
Cycle- oder Umblaseventile bezeichnet. Bei der zweiten<br />
Bauart wird das Volumen auf der Ausgangsseite in die<br />
Umgebung abgelassen. Diese Ventile werden als Blowoff-<br />
oder Abblaseventile bezeichnet.<br />
EXAKTE REGELUNG UND HOHE REGELGÜTE NÖTIG<br />
Nicht nur ein außerplanmäßiges Ereignis kann zum beschriebenen<br />
Pumpen des Verdichters führen. Vielmehr<br />
besteht ganz allgemein die Gefahr, dass der Verdichter<br />
ins Pumpen gerät, sobald eine definierte minimale Fördermenge<br />
unterschritten wird. Durch den Einsatz modernster<br />
Prozessleitsysteme (PLS) und Strömungsmesstechnik<br />
ist man heute in der Lage, eine Annäherung an<br />
die sogenannte Pumpgrenze, den Beginn des instabilen<br />
Zustands, vorzeitig zu erkennen und durch ein geregeltes<br />
Öffnen des ASV den Betriebspunkt des Verdichters zu<br />
stabilisieren. Dabei sind eine exakte Regelung und eine<br />
hohe Regelgüte (etwa Einstellen eines Betriebspunktes<br />
ohne Überschwinger) zwingend erforderlich, um den<br />
nachfolgenden Prozess nicht negativ zu beeinflussen.<br />
Sollte es durch die Regelung des Ventils nicht zu einer<br />
Stabilisierung des Betriebspunktes kommen, wird durch<br />
das PLS ein Signal an das Ventil gegeben, dass daraufhin<br />
sofort vollständig öffnet. So ist der sichere Betrieb auch<br />
im Grenzbetrieb gewährleistet.<br />
Anti-Surge-Ventile sind charakterisiert durch ihre<br />
robuste Bauart, die kurzen Stellzeiten in die Sicherheitsstellung<br />
(1 bis 2 Sekunden) und eine hohe Regelgüte.<br />
Während die genannten Eigenschaften <strong>für</strong> kleinere<br />
Ventile schon eine anspruchsvolle Aufgabe darstellen,<br />
wird diese bei großen Nennweiten durch das<br />
hohe Kegelgewicht von mehreren hundert Kilogramm<br />
in Verbindung mit einem Hub von 200 mm oder mehr<br />
zusätzlich erschwert. Die <strong>für</strong> das indische Stahlwerk<br />
hergestellten Anti-Surge-Ventile mussten einen Durchsatz<br />
von 290 000 kg/h Luft ermöglichen (das entspricht<br />
einem angesaugten Volumen, das in zirka 90 Olympia-<br />
Schwimmbecken passt). Um diese großen Volumenströme<br />
beherrschen zu können, wurden Ventile mit einer<br />
Nennweite von NPS 24 (entspricht DN 600) entwickelt.<br />
LEO RECORD<br />
Digitales Manometer mit Speicherfunktion<br />
Hohe Messgenauigkeit, Auflösung und Robustheit<br />
Anzeige des aktuellen Druckes und des<br />
Record-Status im Display<br />
Aufzeichnung des Druckes und der Temperatur<br />
Einfache Konfigurations- und Auslese-<br />
Software <strong>für</strong> PC oder PDA<br />
Messrate und Druckeinheiten einstellbar<br />
Speicher: ca. 57’000 Messwerte<br />
Bereiche: 30 mbar…1000 bar<br />
Gesamtfehlerband: ±0,1 %FS<br />
Auch Ex-geschützte Versionen<br />
in unserem E-Shop erhältlich<br />
www.keller-druck.com<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012<br />
21
PRAXIS<br />
UMBLASEVENTIL<br />
ABBLASEVENTIL<br />
Sie mussten neben extrem kurzen Reaktionszeiten (kleiner<br />
1 Sekunde) zugleich eine sehr hohe Regelgüte gewährleisten.<br />
Dem Kundenwunsch entsprechend wurde<br />
ein hydraulischer Kolbenantrieb eingesetzt.<br />
PNEUMATISCHE ANTRIEBE FÜR GROSSE VENTILE<br />
Aufgrund der umfangreichen Fachkenntnisse im<br />
Bereich pneumatischer Antriebe sind mittlerweile<br />
auch die ganz großen Ventile in der kostengünstigeren<br />
Ausführung mit pneumatischen Kolbenantrieben<br />
als Standard verfügbar. Hierbei kommt dem Traditionsunternehmen<br />
Samson seine jahrelange Erfahrung<br />
zugute. Durch die optimale Auswahl und Komposition<br />
wird ein reibungsloses Zusammenspiel aller benötigten<br />
Komponenten, wie etwa Stellungsregler, Booster und<br />
Zuluftstation, erreicht. Die von dem Kunden geforderten<br />
Eigenschaften der Anti-Surge-Ventile können so<br />
zuverlässig gewährleistet werden. Außerdem bietet<br />
Samson <strong>für</strong> sicherheits kritische Anlagenteile auch eine<br />
SIL-Zertifizierung an.<br />
„Wir schätzen Samson als kompetenten Partner, der<br />
uns beim Finden der richtigen technischen Lösung mit<br />
seinem umfassenden Know-how unterstützt“, erklärt<br />
Dr. Oliver Wöll, Projektverantwortlicher bei der MAN<br />
Turbo AG. „Außerdem wissen wir, dass wir uns auf die<br />
Geräte verlassen können, was bei den Axialverdichtern<br />
von entscheidender Bedeutung ist – eine zweite Chance<br />
gibt es in diesem Prozess nicht.“<br />
Inzwischen geht die Tendenz bei den Anwendern zu<br />
noch größeren Ventilen. Die Samson AG hat deshalb<br />
das Portfolio um weitere zahlreiche Ventilnennweiten<br />
ergänzt. Die gleiche Stückzahl an Großventilen, die<br />
früher in einem Jahr produziert wurde, verlässt heute<br />
monatlich das Werk.<br />
AUTOR<br />
DR.-ING. MICHAEL HESS ist<br />
Entwicklungsingenieur im<br />
Bereich Stellventile bei<br />
Samson.<br />
Samson AG,<br />
Mess-und Regeltechnik,<br />
Weismüllerstraße 3, D-60314 Frankfurt am Main,<br />
Tel. +49 (0) 69 40 09 22 49,<br />
E-Mail: mhess@samson.de<br />
DIPL.-ING. MARC-CHRISTIAN<br />
CRAMM ist Produktmanager<br />
Stellventile bei Samson.<br />
Samson AG,<br />
Mess-und Regeltechnik,<br />
Weismüllerstraße 3, D-60314 Frankfurt am Main,<br />
Tel. +49 (0) 69 40 09 21 75,<br />
E-Mail: mcramm@samson.de<br />
22<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
BUS<br />
Sprechstunde<br />
BUS<br />
2. Feldbus-Sprechstunde<br />
Feldbus in der Prozessindustrie<br />
22. + 23.01.2013, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH<br />
www.feldbus-sprechstunde.de<br />
Programm<br />
Moderation: Jürgen George,<br />
Pepperl+Fuchs GmbH<br />
Wann und Wo?<br />
+ + NEUER TERMIN! + +<br />
22. + 23.01.2013<br />
Systemplanung: Auswahl der Geräte und Komponenten<br />
Systemplanung: Feldbusinfrastruktur<br />
Systemplanung: Einsatz von Planungstools<br />
Systemplanung: Explosionsschutz und<br />
funktionale Sicherheit<br />
Inbetriebnahme: Hardware-Installation und<br />
-Inbetriebnahme<br />
Inbetriebnahme: Implementierung<br />
Inbetriebnahme: Systematische Fehlersuche<br />
Referenten<br />
Ronny Becker, Prüflabor MSR u. Analysentechnik,<br />
BIS Prozesstechnik GmbH<br />
Dr. Andreas Hildebrandt, Thomas Klatt,<br />
Thomas Westers, Pepperl+Fuchs GmbH<br />
Dr. Niels Kiupel, Degussa GmbH<br />
Sven Seintsch, Prüflabor MSR u. Analysentechnik,<br />
BIS Prozesstechnik GmbH<br />
Termin<br />
Dienstag, 22.01.2013<br />
Veranstaltung (11:30 – 17:30 Uhr)<br />
„Get-Together“ mit Abendessen (ab 18:30 Uhr)<br />
Mittwoch, 23.01.2013<br />
Veranstaltung (9:00 – 15:00 Uhr)<br />
Ort<br />
Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH<br />
Thema<br />
Antworten zur Planung und<br />
Inbetriebnahme von Feldbussen<br />
Teilnahmegebühr<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>-Abonnenten<br />
Firmenempfehlung<br />
540 € zzgl. MwSt<br />
590 € zzgl. MwSt<br />
reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt<br />
Studenten<br />
kostenlos<br />
(Universität, Fachhoch-/Duale Hochschule – Vorlage des<br />
Studentenausweises bei der Anmeldung erforderlich)<br />
Im Preis enthalten sind die Tagungsunterlagen<br />
sowie das Catering (Kaffee, 2x Mittagsimbiss,<br />
„Get-Together“ mit Abendessen).<br />
Veranstalter<br />
100 Euro<br />
Frühbucherrabatt<br />
bei Buchung bis zum<br />
14.12.2012<br />
Fragen Sie!<br />
Die Feldbus-Sprechstunde gibt Ihnen ausreichend Gelegenheit, Ihre<br />
individuellen Fragen zu stellen und offen mit den praxiserfahrenen<br />
Referenten zu diskutieren.<br />
Stellen Sie Ihre Fragen rechtzeitig unter<br />
www.feldbus-sprechstunde.de<br />
Weitere Informationen und Online-Anmeldung unter<br />
www.feldbus-sprechstunde.de<br />
Fax-Anmeldung: +49 (0) 89 45051-207 oder Online-Anmeldung: www.feldbus-sprechstunde.de<br />
Ich habe die <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> abonniert<br />
Ich komme auf Empfehlung von Firma: .....................................................................................................................................................................<br />
Vorname Nachname<br />
Telefon<br />
Telefax<br />
Firma/Institution<br />
E-Mail<br />
Straße/Postfach<br />
Land, PLZ, Ort<br />
Hausnummer<br />
<br />
Ort, Datum, Unterschrift<br />
Ihre freiwilligen Angaben werden zusammen mit den <strong>für</strong> die Vertragsabwicklung erforderlichen Daten von uns und der Unternehmensgruppe, unseren Dienstleistern sowie anderen<br />
ausgewählten Unternehmen verarbeitet und genutzt, um Sie über Produkte und Dienstleistungen zu informieren.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
Wenn Sie dies nicht mehr wünschen, schreiben Sie bitte an: Oldenbourg Industrieverlag, Rosenheimer Str. 145, D-81671 München<br />
11 / 2012<br />
23
PRAXIS<br />
Produktion von Sammelheftern: Kosteneffizienter<br />
Sensor lässt falschen Bögen keine Chance mehr<br />
Integrierte Falschbogenerkennung macht Herstellung effizienter und spart Kosten<br />
SAMMELHEFTER MIT FALSCHBOGENERKENNUNG DER VOS412-BIS REIHE<br />
Steigende Kundenanforderungen und sinkende Margen<br />
zwingen auch die Industriebereiche rund um die<br />
Druckmedien zu immer mehr Effizienz und Wettbewerbsfähigkeit.<br />
Die Firma Hohner bietet <strong>für</strong> ihre Sammelhefter<br />
aus diesem Grund spezielle Falschbogenerkennungen<br />
an, die an den Anlegern die Druckbögen vor der<br />
Verarbeitung überprüfen. Diese Spezialsensoren nutzen<br />
moderne Bildverarbeitungstechnologien und bringen die<br />
Sammelhefter einen Schritt näher heran an die Null-<br />
Fehler-Produktion.<br />
MASCHINEN ZUR BROSCHÜRENHEFTUNG<br />
Die Hohner Maschinenbau GmbH ist ein Spezialist <strong>für</strong><br />
die Herstellung von Maschinen zur Broschürenheftung<br />
und Druckweiterverarbeitung in der industriellen Buchbinderei.<br />
Zur Produktpalette gehören Schmalheftköpfe,<br />
Drahtheftmaschinen und Sammelhefter vom unteren bis<br />
zum mittleren Leistungsbereich. Mit seiner Heftkopf-<br />
Technologie hat sich das Unternehmen bezüglich Qualität<br />
und Zuverlässigkeit weltweit etabliert. Neben der<br />
konventionellen Drahtheftung spielen auch die DIGI-<br />
Finisher-Lösungen <strong>für</strong> die digitale Weiterverarbeitung<br />
seit Jahren eine zunehmende Rolle. Sowohl die Verarbeitung<br />
einzelner Digitaldruckbögen als auch die Inline-<br />
Produktion von Digitaldruckrollen ist mit der entsprechenden<br />
Hybrid-Anlage möglich, die sich zwischen dem<br />
klassischen Sammelhefter und der Digitaldruck-Weiterverarbeitung<br />
positioniert.<br />
Zum Produktbereich der Sammelhefter gehören die<br />
Maschinen mit der Bezeichnung HSB 8000 und HSB<br />
13.000. Letztere stellt das derzeitige Flagschiff des Tuttlinger<br />
Herstellers dar und zeichnet sich durch einen sehr<br />
hohen Automatisierungsgrad und große Bedienerfreundlichkeit<br />
aus. Ein modularer Aufbau der neuen HSB-Gernerationen<br />
erlaubt die Ausrichtung auf die jeweiligen<br />
Kundenwünsche und ermöglicht Konfigurationen bis<br />
zur vollautomatisierten Sammelhefterlösung. Zu den<br />
Besonderheiten zählen unter anderem ein topaktuelles<br />
Motion-Control-Antriebskonzept sowie eine Steuerung<br />
mit integrierter Betriebsdatenerfassung und Fernwartungsmöglichkeiten<br />
über Videokonferenz.<br />
SENSOREN ERKENNEN FALSCHBÖGEN<br />
Die Systemkomponenten sind über motorische Verstellungen<br />
umfassend in das Automatisierungskonzept integriert,<br />
sodass beispielsweise sämtliche Parameter einmal<br />
ausgeführter Aufträge jederzeit auf Knopfdruck<br />
wiederherstellbar sind. Formatumstellungen bis DIN A3<br />
24<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
Unser<br />
Know-how <strong>für</strong> Sie<br />
27. bis 29. November 2012<br />
Düsseldorf<br />
Halle 03 · Stand D53<br />
SICHERE FALSCHBOGENERKENNUNG mit den Vision-Sensoren<br />
Vos412-Bis und Bis510. Bilder: Pepperl+Fuchs<br />
weltweit<br />
SAMSON GROUP SAMSON GROUP SAMSON<br />
Übergröße lassen sich bei kleinen Auflagen mit geringem<br />
Personaleinsatz rationell und zügig bewältigen. Für den<br />
kleineren Bereich kleinerer Leistungen ist der Sammelhefter<br />
vom Typ HSB 8.000 prädestiniert.<br />
Damit die Hohner-Maschinen ihre Vorteile in der Praxis<br />
ausspielen können, müssen die Druckbögen fehlerfrei<br />
und korrekt sortiert zugeführt werden. Geschehen dabei<br />
Fehler, kommt es zu Ausschussproduktion wenn Seiten<br />
fehlen, doppelt vorkommen, leer sind oder vertauscht<br />
geheftet sind. Ebenso unangenehm ist es <strong>für</strong> das verantwortliche<br />
Unternehmen, wenn Seiten auf dem Kopf stehen,<br />
weil ein Papierstapel versehentlich verkehrt herum<br />
eingelegt worden ist.<br />
Hohner bietet <strong>für</strong> seine Sammelhefter daher als Option<br />
leistungsfähige Falschbogenerkennungssensoren auf der<br />
Basis moderner Bildverarbeitungstechnologie an. Bei<br />
den von Pepperl+Fuchs entwickelten Sensoren VOS412-<br />
BIS und BIS510 handelt es sich um Vision-Sensoren, die<br />
speziell <strong>für</strong> die Aufgabe der Falschbogenerkennung optimiert<br />
sind. Die Geräte erfassen das Zielobjekt mit hochauflösenden<br />
752 x 480 Pixeln und detektieren somit<br />
kleinste Unterschiede im Druckbild.<br />
Zur Identifikation der Druckbögen gibt es verschiedene<br />
Möglichkeiten, entweder unmittelbar über das Druck-<br />
GROUP SAMSON GROUP<br />
GROUP<br />
A01128DE<br />
SAMSON AG · MESS- UND REGELTECHNIK<br />
Weismüllerstraße 3<br />
60314 Frankfurt am Main<br />
Telefon: 069 4009-0 · Telefax: 069 4009-1507<br />
E-Mail: samson@samson.de · www.samson.de<br />
SAMSON GROUP · www.samsongroup.net<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012<br />
25<br />
SAMSON<br />
SAMSON GROUP SAMSON<br />
GROUP SAMSON GROUP SAMSON GROUP SAMSON<br />
GROUP SAMSON GROUP GROUP<br />
SAMSON GROUP SAMSON GROUP SAMSON<br />
GROUP<br />
GROUP SAMSON GROUP<br />
GROUP<br />
SAMSON GROUP SAMSON<br />
SAMSON<br />
SAMSON GROUP SAMSON GROUP
PRAXIS<br />
bild oder anhand von Barcodes, die am Rand beziehungsweise<br />
oben oder unten auf dem Bogen aufgedruckt sind.<br />
Da alle notwendigen Komponenten wie Kamera, LED-<br />
Beleuchtung und Auswerteeinheit im selben Gehäuse<br />
platzsparend untergebracht sind, verhalten sich die<br />
Falschbogenerkennungen, trotz komplexen Innenlebens,<br />
nach außen hin wie herkömmliche Sensoren. So gestaltet<br />
sich einerseits die Bedienung und Handhabung der<br />
Vision-Sensoren einfach, und andererseits sind die Systeme<br />
über ihren Triggereingang sowie Schaltausgang gut<br />
in das Steuerungs- und Automatisierungskonzept der<br />
Heftanlagen integrierbar. Die kompakten Abmessungen<br />
sorgen <strong>für</strong> eine gute mechanische Anpassung.<br />
QUALITÄTSSICHERUNG BEI KURZEN UMRÜSTZEITEN<br />
Die Falschbogenkontrolle ist nun in der Lage, die Bogenfolge<br />
anhand des Druckbildes zu überwachen. Hierzu lernt<br />
das System den ersten Bogen automatisch ein und vergleicht<br />
ihn anschließend mit den nachfolgenden Seiten.<br />
Beim Teach-Vorgang ermittelt die Auswerteeinheit selbstständig<br />
die <strong>für</strong> die bestmögliche Bildqualität optimalen<br />
Aufnahmeparameter. Das aufgenommene Referenzbild<br />
wird im nichtflüchtigen Speicher des Sensors abgelegt, sodass<br />
es auch im stromlosen Zustand nicht verloren geht.<br />
Von dieser automatischen und unkomplizierten Einlern-<br />
Methode profitieren die genannten Maschinenfunktionen<br />
zum schnellen Wechseln von Druckformaten. Insbesondere<br />
wird dazu kein besonderes Know-how des Bedienpersonals<br />
verlangt, das heißt, auch angelernte Mitarbeiter können<br />
diese Arbeiten übernehmen.<br />
Für den Einsatz in seinen Sammelheftern hat sich der<br />
Tuttlinger Maschinenspezialist <strong>für</strong> den VOS412-BIS entschieden.<br />
Diese Ausführung zeichnet sich durch ein robustes<br />
Zink-Druckguss-Gehäuse aus. Während des Produktivbetriebs<br />
erhält der Sensor von einem separaten<br />
optischen Taster ein Triggersignal, erfasst den Druckbogen<br />
und vergleicht die Informationen mit der eingelernten Referenz.<br />
Der Schaltausgang stellt das Ergebnis anschließend<br />
als eindeutige Gut-Schlecht-Information der Maschinensteuerung<br />
zur Verfügung. Der gesamte Vorgang läuft blitzschnell<br />
im Arbeitstakt des Sammelhefters ab, wobei die<br />
Vision-Sensoren Geschwindigkeiten von 4 m/s beziehungsweise<br />
10 Bögen/s unterstützen. Damit besteht auch<br />
noch genügend Reserve <strong>für</strong> zukünftige Anwendungen,<br />
etwa wenn Hohner leistungsstärkere Anlagen anbieten<br />
wird.<br />
Im Barcode-Lesemodus verarbeiten die Sensoren zur<br />
Falschbogenerkennung alle in der grafischen Industrie<br />
benutzten Codes wie etwa 2/5 interleaved, Code 39 und<br />
Code 128 A, B, C sowie Pharmacode. Außerdem spielt es<br />
keine Rolle ob die Codes horizontal oder vertikal ausgerichtet<br />
sind.<br />
Neu bei den Falschbogensensoren von Pepperl+Fuchs<br />
sind die Erkennung von Bogensequenzen und die Lesung<br />
von sehr langen Barcodes. Bogensequenzen können automatisch<br />
eingelernt und verglichen werden. Diese Funktion<br />
ermöglicht den Einsatz der Falschbogensensoren in Maschinen,<br />
in denen unterschiedliche Bögen an einer Stelle<br />
verglichen werden sollen wie etwa in vertikalen Zusam-<br />
mentragmaschinen. Sollte es sich einmal um besonders<br />
umfangreiche Codes handeln, die größer sind als der Erfassungsbereich<br />
eines Bildes, kommt die Multiaufnahmefunktion<br />
zum Einsatz, die das Zusammensetzen mehrerer<br />
Code-Fragmente erlaubt. Den zu erkennenden Code lernt<br />
man entweder ein oder parametriert ihn manuell.<br />
VISUALISIERUNG AUF EINEM NETBOOK ERMÖGLICHT<br />
Zur Bedienung und Parametrierung der Sensoren dient<br />
derzeit die Software „BIS-Visualizer“ auf einem Netbook.<br />
Auf dem Bildschirm werden die in den jeweiligen Stationen<br />
eingelernten Bilder angezeigt und ebenso die erkannten<br />
Falschbögen. Durch Vergleich mit dem Referenzbild<br />
kann der Anwender mögliche Fehlerursachen schnell<br />
identifizieren. Die Entwickler arbeiten daran, die Bedienung<br />
der Falschbogenerkennung und die Anzeige der Bilder<br />
auch vom zentralen Touchscreen aus zu realisieren.<br />
Über Letzteren lassen sich nahezu alle Maschinenkomponenten<br />
vollgrafisch und in Farbe bedienen. Die Ausrüstung<br />
der Sammelhefter mit den Falschbogenerkennungen<br />
von Pepperl+Fuchs liefert dem Anwender somit ein derzeit<br />
maximal erhältliches Maß an Prozesssicherheit.<br />
AUTOREN<br />
Hohner Maschinenbau GmbH,<br />
Gänsäcker 19,<br />
D-78532 Tuttlingen,<br />
Tel. +49 (0) 7462 946 80,<br />
E-Mail: info@hohner-postpress.com<br />
Dipl.-Ing. (FH) RICHARD<br />
BÜRK ist Leiter Technik bei<br />
der Hohner Maschinenbau<br />
GmbH.<br />
Dr.-Ing. TIM WEIS ist<br />
Produktmanager Indus trial<br />
Vision Components<br />
im Geschäftsbereich<br />
Fabrikautomation der<br />
Pepperl+Fuchs GmbH.<br />
Pepperl+Fuchs GmbH,<br />
Lilienthalstraße 200,<br />
D-68307 Mannheim,<br />
Tel. +49 (0) 621 776 42 76,<br />
E-Mail: tweis@de.pepperl-fuchs.com<br />
26<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
Sprechstunde<br />
3. Explosionsschutz-Sprechstunde<br />
Explosionsschutz<br />
14. + 15.11.2012, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH<br />
www.explosionsschutz-sprechstunde.de<br />
§ 12<br />
BetrSichV<br />
Programm<br />
Moderation: Dr. Andreas Hildebrandt,<br />
Pepperl+Fuchs GmbH<br />
Wann und Wo?<br />
Typische Fehler bei unterschiedlichen<br />
Zündschutzarten<br />
Der korrekte Nachweis der Eigensicherheit<br />
Fachgerechte Reparatur und Prüfung von<br />
explosionsgeschützten Betriebsmitteln<br />
Anforderungen an die funktionale Sicherheit<br />
beim Explosionsschutz<br />
Referenten<br />
Wolfgang Gohm<br />
Extronic Gohm Consulting<br />
Dr. Andreas Hildebrandt, Gerhard Jung,<br />
Michael Wenglorz, Thomas Westers<br />
Pepperl+Fuchs GmbH<br />
Stefanie Klein<br />
DSM Nutritional Products, Grenzach-Wyhlen<br />
Arnold Staedel<br />
TÜV SÜD Industrie Service GmbH – Niederlassung Nürnberg<br />
Reinhard Wilkens<br />
PTB<br />
Dr. Michael Wittler<br />
Dekra Exam<br />
Fragen Sie!<br />
Die Explosionsschutz-Sprechstunde gibt Ihnen ausreichend<br />
Gelegenheit, Ihre individuellen Fragen zu stellen und offen<br />
mit den praxiserfahrenen Referenten zu diskutieren.<br />
Stellen Sie Ihre Fragen rechtzeitig unter<br />
www.explosionsschutz-sprechstunde.de.<br />
Termin<br />
Mittwoch, 14.11.2012<br />
Veranstaltung (11:30 – 17:30 Uhr)<br />
„Get-Together“ mit Abendessen (ab 18:30 Uhr)<br />
Donnerstag, 15.11.2012<br />
Veranstaltung (9:00 – 15:00 Uhr)<br />
Ort<br />
Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH<br />
Thema<br />
Installation und Betrieb<br />
explosionsgeschützter Anlagen<br />
Teilnahmegebühr<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>-Abonnenten<br />
Firmenempfehlung<br />
540 € zzgl. MwSt<br />
590 € zzgl. MwSt<br />
reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt<br />
Frühbucherrabatt 100 €<br />
auf alle Tarife bei Anmeldung bis 28.10.2012<br />
Studenten (Universität, Fachhoch-/Duale Hochschule)<br />
nehmen gratis teil<br />
(Vorlage des Studentenausweises bei der Anmeldung)<br />
Im Preis enthalten sind die Tagungsunterlagen<br />
sowie das Catering (Kaffee, 2x Mittagsimbiss,<br />
„Get-Together“ mit Abendessen).<br />
Veranstalter<br />
Weitere Informationen und Online-Anmeldung unter<br />
www.explosionsschutz-sprechstunde.de<br />
Fax-Anmeldung: +49 (0) 89 45051-207 oder Online-Anmeldung: www.explosionsschutz-sprechstunde.de<br />
Ich habe die <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> abonniert<br />
Ich komme auf Empfehlung von Firma: .....................................................................................................................................................................<br />
Vorname Nachname<br />
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E-Mail<br />
Straße/Postfach<br />
Land, PLZ, Ort<br />
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Ihre freiwilligen Angaben werden zusammen mit den <strong>für</strong> die Vertragsabwicklung erforderlichen Daten von uns und der Unternehmensgruppe, unseren Dienstleistern sowie anderen<br />
ausgewählten Unternehmen verarbeitet und genutzt, um Sie über Produkte und Dienstleistungen zu informieren.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
Wenn Sie dies nicht mehr wünschen, schreiben Sie bitte an: Oldenbourg Industrieverlag, Rosenheimer Str. 145, D-81671 München<br />
11 / 2012<br />
27
HAUPTBEITRAG<br />
<strong>Instandhaltungsstrategien</strong> <strong>für</strong><br />
<strong>PLT</strong>-<strong>Schutzeinrichtungen</strong><br />
Rechnergestützt optimale Prüfstrategien ermitteln<br />
Eine Methode zur Bestimmung von kostenoptimalen <strong>Instandhaltungsstrategien</strong> <strong>für</strong> einkanalige<br />
<strong>PLT</strong>-<strong>Schutzeinrichtungen</strong> wird in diesem Beitrag vorgestellt. Mit ihr lassen sich<br />
<strong>Instandhaltungsstrategien</strong> <strong>für</strong> vorgegebene Unverfügbarkeitsanforderungen ermitteln. Die<br />
<strong>Instandhaltungsstrategien</strong> setzen sich aus Haupt- und Teilwiederholungsprüfungen mit<br />
unvollständiger Prüfabdeckung, wie dem Teilhubtest bei Aktoren, zusammen. Eine praktische<br />
Fallstudie demonstriert die Wirksamkeit der Methode.<br />
SCHLAGWÖRTER Funktionale Sicherheit / <strong>PLT</strong>-<strong>Schutzeinrichtungen</strong> / Instandhaltung /<br />
Wiederholungsprüfungen<br />
Determining optimal prooftest strategies for Safety Instrumented Systems<br />
A procedure to determine cost-optimal maintenance strategies for single channel Safety<br />
Instrumented Systems’ (SIS) is presented in this work. Maintenance strategies are derived<br />
for predefined unavailability requirements. The maintenance strategies are composed of<br />
main prooftest and partial prooftest (e.g. partial stroke test of final elements) with incomplete<br />
prooftest coverage. The presented procedure is demonstrated in a practical case<br />
study.<br />
KEYWORDS Functional safety / safety instrumented systems / maintenance / prooftests<br />
28<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
KONSTANTIN MACHLEIDT, LOTHAR LITZ, TU Kaiserslautern<br />
<strong>PLT</strong>-<strong>Schutzeinrichtungen</strong> (Safety Instrumented<br />
Systems – SIS) werden in der chemischen Industrie<br />
und in der Prozessindustrie eingesetzt,<br />
um potenziell unsichere Produktionsprozesse<br />
sicher zu machen. Bei Fehlern von SIS können<br />
gefährliche Prozesszustände nicht sicher beherrscht<br />
werden. Die internationalen Normen [1] und [2] definieren<br />
sicherheitstechnische Anforderungen an SIS. Die<br />
hohe Verfügbarkeit von SIS reduziert das Risiko gefährlicher<br />
Prozesszustände. Dabei spielt die Instandhaltung<br />
eine wichtige Rolle, um die hohe Verfügbarkeit zu<br />
gewährleisten.<br />
Die sicherheitstechnischen Anforderungen an SIS werden<br />
unter Verwendung unterschiedlicher Konfigurationen<br />
(zum Beispiel Hardware-Fehlertoleranz, Instrumentierung)<br />
und unterschiedlicher <strong>Instandhaltungsstrategien</strong><br />
erfüllt. Betriebstechnische Anforderungen (beispielsweise<br />
niedrige Lebenszykluskosten von SIS, hohe betriebstechnische<br />
Verfügbarkeit, niedrige Instand haltungskosten)<br />
lassen sich durch die Nutzung vorhandener Freiheitsgrade<br />
berücksichtigen. In [3] werden Konfigurationen von SIS<br />
mit minimalen Lebenszykluskosten <strong>für</strong> spezifizierte sicherheitstechnische<br />
Anforderungen bestimmt. In [4] und<br />
[5] wird eine formelle Methode zum automatischen optimierten<br />
Entwurf von SIS beschrieben. In [6] wird gezeigt,<br />
dass Wiederholungsprüfungen mit unvollständiger Prüfabdeckung<br />
die Verfügbarkeit von SIS beeinflussen und<br />
berücksichtigt werden müssen. Dies lässt sich mit den<br />
Methoden aus [7] und [8] mit der Vorarbeit aus [9] realisieren.<br />
Die SIS-Unverfügbarkeit <strong>für</strong> beliebige <strong>Instandhaltungsstrategien</strong><br />
und Wiederholungsprüfungen mit unvollständiger<br />
Prüfabdeckung kann so bestimmt werden. Die<br />
Aufgabenstellung der anfor derungsgerechten Ermittlung<br />
von <strong>Instandhaltungsstrategien</strong> lässt sich mit diesen Methoden<br />
nur iterativ lösen. In [10] und [12] wird <strong>für</strong> dieses<br />
Problem eine alternative Lösung präsentiert. Diese Lösung<br />
ist das Thema des Artikels.<br />
Es geht dabei um Strategien von Wiederholungsprüfungen.<br />
Diese setzen sich aus Haupt (HP)- und Teilwiederholungsprüfungen<br />
(TP) zusammen. Die HP bieten<br />
höhere Prüfabdeckung, erfordern aber da<strong>für</strong> mehr Aufwand<br />
und beeinträchtigen meist den Produktionsprozess.<br />
Zur Durchführung der HP muss der Produktionsbetrieb<br />
in der Regel unterbrochen werden. Die TP erfordern<br />
dagegen keine Unterbrechungen der Produktion<br />
und benötigen weniger Aufwand bei kleinerer Prüfabdeckung.<br />
Es lässt sich nur eine Teilmenge der Fehler<br />
erkennen, die bei einer HP erkannt werden können.<br />
Durch die Anwendung der TP wird die benötigte Anzahl<br />
der HP und damit der Produktionsstillstände bei gleicher<br />
Unverfügbarkeit des SIS reduziert.<br />
In der Industrie finden Teilprüfungen in SIS bereits Anwendung<br />
in Eingangs- und Ausgangsteilsystemen. Der<br />
Teilhubtest (Partial Stroke Test) wird bei Aktoren angewandt,<br />
und bei Sensoren werden ebenfalls Teilprüfungen<br />
durchgeführt. Teilhubtests von Aktoren werden in [11]<br />
behandelt. Dieser Beitrag beschreibt eine Methode, um<br />
kostenoptimale <strong>Instandhaltungsstrategien</strong>, zusammengesetzt<br />
aus Haupt- und Teilwiederholungsprüfungen, zu<br />
bestimmen.<br />
1. MODELLIERUNG VON <strong>PLT</strong>-SCHUTZEINRICHTUNGEN<br />
1.1 PFD-Modell<br />
Die sicherheitstechnische Güte von SIS wird durch Unverfügbarkeit<br />
(Probability of Failure on Demand – PFD)<br />
bewertet. Die zeitabhängige PFD ist definiert als<br />
PFD() t = P( System ist zur Zeit t nicht funktionsfähig ) (1)<br />
Die <strong>für</strong> den Sicherheits-Integritätslevel (SIL) relevante<br />
Größe PFD avg<br />
wird als Mittelwert der zeitabhängigen<br />
PFD(t) über dem Zeitintervall [0,T L<br />
] von Inbetriebnahme<br />
bis zur Stilllegung des SIS ermittelt<br />
T L<br />
1<br />
PFDavg<br />
= PFD t dt<br />
T<br />
∫ ()<br />
L 0<br />
Die Unverfügbarkeitsfunktion PFD(t) quantifiziert den<br />
Einfluss der Ausfallprozesse bedingt durch stochas-<br />
(2)<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11/ 2012<br />
29
HAUPTBEITRAG<br />
tische gefährliche Fehler sowie den Einfluss zugehöriger<br />
Reparaturprozesse. Die gefährlichen Fehler teilen sich<br />
auf in erkannte passive (Dangerous Detected), unerkannte<br />
passive (Dangerous Undetected) und nicht-detektierbare<br />
Fehler (Dangerous Non-detectable). Diese Fehlerarten<br />
führen zu unterschiedlichen Reparaturprozessen.<br />
Die erkannten passiven Fehler werden durch einen zeitlich<br />
unmittelbar anschließenden, stochastischen Reparaturprozess<br />
behoben. Die unerkannten Fehler werden<br />
bei deterministisch durchgeführten Wiederholungsprüfungen<br />
entdeckt und repariert. Die nicht-detektierbaren<br />
Fehler bleiben über die komplette Lebensdauer des SIS<br />
unentdeckt und können nicht repariert werden. Die Zeiten<br />
bis zum Auftreten der Fehler sowie die Reparaturzeit<br />
der stochastischen Reparaturprozesse sind exponentialverteilt.<br />
Die PFD(t) berechnet sich mittels Überlagerung<br />
der Einflüsse stochastisch unabhängiger, gefährlicher<br />
Fehler. Der Einfluss von Wiederholungsprüfungen wird<br />
zunächst nicht berücksichtigt, die Unverfügbarkeitsfunktion<br />
ergibt sich da<strong>für</strong> als<br />
PFD () t ≈ PFD () t + PFD () t + PFD () t (3)<br />
UNM DU DD DN<br />
In Gleichung (3) quantifiziert PFD DU<br />
(t) den Einfluss der<br />
unerkannten passiven Fehler mit Reparaturen bei Wiederholungsprüfungen,<br />
PFD DD<br />
(t) den Einfluss der erkannten<br />
passiven Fehler mit sofort erfolgender Reparatur und<br />
PFD DN<br />
(t) bezeichnet den Beitrag der nicht-detektierbaren<br />
Fehler. Die Summanden in Gleichung (3) berechnen sich<br />
<strong>für</strong> linear approximierte Exponentialfunktionen und<br />
einkanalige SIS nach<br />
λ<br />
PFDDU () t ≈λdut, PFDDD<br />
() t ≈ dd , PFDDN<br />
() t ≈ λ dn<br />
λ<br />
t. (4)<br />
+ μ<br />
Die Parameter der Gleichungen (4) umfassen die Rate der<br />
unerkannten passiven Fehler λ du<br />
, die Rate der erkannten<br />
passiven Fehler λ dd<br />
, die Reparaturrate der erkannten passiven<br />
Fehler μ dd<br />
und die Rate der nicht-detektierbaren<br />
Fehler λ dn<br />
. Damit ergibt sich die mittlere Unverfügbarkeit<br />
PFD avgUNM eines einkanaligen SIS-Teilsystems ohne Wiederholungsprüfungen<br />
zu<br />
dd<br />
1 λ<br />
PFD T dd 1<br />
T . (5)<br />
avgUNM = λdu L + + λdn L<br />
2 λdd<br />
+ μdd<br />
2<br />
Die einzelnen Anteile der PFD(t) eines SIS-Teilsystems<br />
ohne Wiederholungsprüfungen zeigt Bild 1. Die erkannten<br />
passiven Fehler sowie deren Reparaturen liefern einen<br />
konstanten Beitrag. Der Einfluss von den unerkannten<br />
passiven und nicht-detektierbaren Fehlern steigt in<br />
Abhängigkeit der Zeit t linear an. Dabei berechnet sich<br />
PFD avgUNM aus der Fläche unter dem PFD UNM<br />
(t)-Graphen<br />
gemittelt über die Einsatzzeit T L<br />
.<br />
1.2 Prüfstrategie und Wiederholungsprüfung<br />
dd<br />
Die Wiederholungsprüfungen von SIS stellen deterministische<br />
Ereignisse dar und verursachen Unstetigkeiten<br />
in der PFD(t). Im Beitrag werden mehrere unterschiedliche<br />
Wiederholungsprüfungen eines SIS-Teilsystems<br />
betrachtet. Eine Prüfstrategie ST umfasst j verschiedene<br />
Wiederholungsprüfungen PT j<br />
als<br />
ST : PT1 ,..., PT j<br />
(6)<br />
= { }<br />
Eine Wiederholungsprüfung PT j<br />
wird formalisiert als<br />
PT : T ,..., T ,..., T , T , T<br />
= { } ∈[ ]<br />
j j1 ji jk ji 0 L<br />
mit T ji<br />
als Zeitpunkt der i-ten Durchführung der Wiederholungsprüfung<br />
j.<br />
Unter Berücksichtigung der Wiederholungsprüfungen<br />
ergibt sich die mittlere Unverfügbarkeit PFD avgMAINT<br />
als<br />
PFD<br />
avgMAINT<br />
IPFD<br />
= PFDavgUNM<br />
−<br />
T<br />
ST<br />
L<br />
PFD avgUNM ist die mittlere Unverfügbarkeit ohne Wiederholungsprüfungen.<br />
Nach Gleichung (8) wird PFD avgUNM<br />
durch den von der Prüfstrategie abhängigen Term<br />
IPFD ST<br />
/T L<br />
reduziert. Die Anforderung aus dem Sicherheits-Integritätslevel<br />
(SIL) an die mittlere Unverfügbarkeit<br />
des SIS-Teilsystems liefert die Ungleichung<br />
PFD PFD , (9)<br />
avgMAINT avgSET<br />
mit dem Grenzwert PFD avgSET .<br />
Unter Verwendung dieser Formalismen lässt sich der<br />
Einfluss von Wiederholungsprüfungen auf die Unverfügbarkeit<br />
von SIS quantitativ erfassen.<br />
1.3 Einfluss einer Wiederholungsprüfung<br />
Im Rahmen der betrachteten Wiederholungsprüfung PT j<br />
werden die unerkannten passiven Fehler mit der Rate<br />
λ du detektiert und repariert. Dabei werden die Zeiten der<br />
Unverfügbarkeit von SIS wegen Reparaturen der unerkannten<br />
passiven Fehler im Folgenden vernachlässigt.<br />
Für Wiederholungsprüfungen mit einer beliebigen<br />
Anzahl der Prüfzeitpunkte Tji<br />
, i ! " 1,..., nj,, ergibt sich<br />
IPFD ST<br />
aus Gleichung (8) zu<br />
n j<br />
IPFDST = λ du∑( Tji −Tji−1)( TL − Tji<br />
),<br />
Tj0 = 0 . (10)<br />
i=<br />
1<br />
1.4 Einschränkung auf äquidistante Prüfzeiten<br />
Die Einschränkung der Wiederholungsprüfungen auf<br />
äquidistante Prüfzeiten wird durch die Forderung nach<br />
effizienten Prüfstrategien gerechtfertigt. Der Einfluss<br />
von Prüfungen auf mittlere PFD wird durch IPFD ST<br />
in<br />
Gleichung (8) quantifiziert. Für eine Wiederholungsprüfung<br />
PT j mit der Anzahl n j der Prüfzeitpunkte<br />
Tji<br />
, i ! " 1,..., nj,, ist IPFD ST<br />
dann maximal, wenn die<br />
T ji<br />
äquidistant über das Intervall [0,T L<br />
] vorgegeben sind.<br />
(7)<br />
(8)<br />
30<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
PF<br />
D<br />
PF<br />
DUN<br />
M ( t)<br />
PF<br />
Davg<br />
UN<br />
M<br />
PF<br />
DDD<br />
( t) PF<br />
DDN<br />
( t)<br />
PF<br />
DDD<br />
( t)<br />
T L t<br />
BILD 1: PFD(t) eines SIS-Teilsystems ohne Wiederholungsprüfungen<br />
PF<br />
D<br />
PF<br />
Davg<br />
UN<br />
M<br />
PF<br />
Davg<br />
MAIN<br />
T<br />
T21<br />
IP<br />
FD S<br />
T 11<br />
T22<br />
T L<br />
PF<br />
D( t)<br />
PF<br />
DDD<br />
( t) PF<br />
DDN<br />
( t)<br />
PF<br />
DDD ( t )<br />
t<br />
BILD 2: PFD(t) eines SIS-Teilsystems mit HP und TP<br />
Dabei gilt<br />
Tji − Tji−1 = TI j , Tji <strong>für</strong> alle i∈{ 1,..., nj} , Tj0<br />
= 0 (11)<br />
Der resultierende Verlauf von PFD(t) enthält Unstetigkeiten<br />
zu den Prüfzeitpunkten und lässt sich mit PFD UMD<br />
(t)<br />
aus Gleichung (3) formulieren als<br />
⎧⎪<br />
PFDUNM<br />
() t <strong>für</strong> 0 ≤t ≤Tj1<br />
PFD()<br />
t = ⎨<br />
⎩⎪ PFDUNM<br />
() t −i ⋅TI<br />
j ⋅ λ du <strong>für</strong> T ji ≤ t ≤ T ji + 1<br />
(12)<br />
IPFD ST<br />
lässt sich in geschlossener Form berechnen<br />
nach<br />
IPFD<br />
ST<br />
= λ<br />
2<br />
duTL<br />
n j<br />
2( n + 1)<br />
j<br />
(13)<br />
mit n j<br />
=(T L<br />
-TI j<br />
)/TI j<br />
als Anzahl der Prüfzeitpunkte der<br />
Wiederholungsprüfung PT j<br />
während der Einsatzzeit T L<br />
.<br />
Unter Berücksichtigung der Anforderung aus Ungleichung<br />
(9) ergibt sich die Ungleichung <strong>für</strong> n j<br />
zu<br />
n<br />
j<br />
2 ⋅( PFDavgUNM<br />
−PFDavgSET<br />
)<br />
≥<br />
λ T −2<br />
⋅( PFD −PFD<br />
) (14)<br />
du L avgUNM avgSET<br />
1.5 Haupt- und Teilwiederholungsprüfung<br />
Die bisher verwendeten Modelle zur Bestimmung von<br />
anforderungsgerechten Prüfstrategien werden erweitert,<br />
um Haupt (HP)- und Teilwiederholungsprüfungen (TP)<br />
zu berücksichtigen. Die HP wird als Wiederholungsprüfung<br />
PT 1<br />
und die TP als PT 2<br />
bezeichnet. Bei einer HP<br />
werden alle unerkannten passiven Fehler, die mit der<br />
Rate λ du<br />
auftreten, repariert. Während der TP wird lediglich<br />
die Teilmenge der unerkannten passiven Fehler mit<br />
λ 1 ( 2 ˂ λ du repariert. Wie zuvor, werden die Zeiten der<br />
Unverfügbarkeit von SIS wegen Reparaturen der unerkannten<br />
passiven Fehler im Folgenden vernachlässigt.<br />
Die Anzahl der Prüfzeitpunkte der TP n 2<br />
steht in einem<br />
festen Verhältnis zu der Anzahl der Prüfzeitpunkte der<br />
HP n 1<br />
, es gilt<br />
n = m⋅ n + m mit m∈N (15)<br />
2 1 0<br />
Damit berücksichtigt das resultierende mathematische<br />
Modell äquidistante Prüfzeitpunkte der HP in dem Intervall<br />
der Einsatzzeit [0,T L<br />
] und äquidistante Prüfzeitpunkte<br />
der TP über die Intervalle der HP [T 1j -1 ,T 1j ], mit<br />
j!#1,...,n 1<br />
-, T jo<br />
= 0. Diese Einschränkung stellt sicher, dass<br />
die Wiederholungsprüfungen maximal effektiv sind und<br />
die größtmögliche Reduktion der mittleren PFD bewirken.<br />
Gleichzeitig wird es damit möglich, <strong>für</strong> eine geforderte<br />
PFD-Reduktion die anforderungs gerechten Prüfstrategien<br />
zu berechnen.<br />
Der Verlauf von PFD(t) ergibt sich zu<br />
⎧ PFDUNM<br />
() t<br />
⎪<br />
⎪ <strong>für</strong> 0 ≤ t ≤ T21<br />
⎪ PFDUNM<br />
() t −i ⋅TI2⋅λ<br />
1∩<br />
2<br />
PFD()<br />
t = ⎨<br />
⎪ <strong>für</strong> T2i<br />
≤t ≤T2i<br />
+ 1 und t ≤ T11<br />
⎪PFD UNM () t − j ⋅TI1⋅λdu<br />
-i ⋅TI2⋅<br />
λ1∩2<br />
⎪<br />
⎩⎪ <strong>für</strong> T2i ≤t ≤T2i+ 1 und T1j ≤t ≤T1j+ 1 (16)<br />
mit TI 1 =T 1i –T 1i–1 und TI 2 =T 21 . Die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden<br />
Durchführungen der TP beträgt bei<br />
zeitlicher Überschneidung mit der Durchführung der<br />
HP die doppelte Intervalldauer TI 2<br />
.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11/ 2012<br />
31
HAUPTBEITRAG<br />
IPFD ST<br />
aus Gleichung (8) wird berechnet nach<br />
⎛<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎟<br />
2 n<br />
n<br />
IPFDST = T ⎜<br />
L λ 1<br />
du + λ<br />
2 ⎟<br />
1∩2<br />
. (17)<br />
⎜ 2( n1<br />
+ 1) 2( n1<br />
+ 1)<br />
( n n )<br />
<br />
<br />
2 + 1+<br />
1 ⎟<br />
⎜<br />
<br />
<br />
⎟<br />
⎝ Beitrag von PT1<br />
Beitrag von PT2<br />
⎠<br />
IPFD<br />
T<br />
ST<br />
L<br />
≥ PFD − PFD =0,<br />
029<br />
avgUNM<br />
avgSET<br />
(22)<br />
Es wird T L<br />
=12 Jahre als die betrachtete Einsatzzeit des<br />
SIS angesetzt.<br />
In dieser Gleichung sind die Beiträge von PT 1<br />
und PT 2<br />
zur Reduktion der mittleren PFD gekennzeichnet.<br />
Damit ergibt sich n 2<br />
, die Anzahl der Prüfzeitpunkte<br />
der TP während der Einsatzzeit T L<br />
, in Abhängigkeit von<br />
n 1<br />
, der Anzahl der Prüfzeitpunkte der HP, als<br />
n1 2 2<br />
( + n1) λduTL − 2( n1+ 1) ( PFDavgUNM −PFDavgSET<br />
)<br />
n2<br />
≥<br />
2( n1<br />
+ 1)(<br />
PFDavgUNM −PFDavgSET ) − ( λdun1+ λ1 ∩ 2 ) TL<br />
(18)<br />
Die resultierenden Prüfstrategien ST = {PT 1<br />
,PT 2<br />
} mit HP<br />
und TP, welche die PFD Anforderung nach Gleichung (9)<br />
erfüllen, sind<br />
{ }<br />
PT1 = TI1,..., n1⋅TI<br />
1<br />
(19)<br />
{ } { ⋅ ⋅ = ⋅ ∈N}<br />
PT2 = TI2,...,( n2 + n1) ⋅TI2 \ i TI2 | i TI2 k TI1,<br />
k<br />
<strong>für</strong> n2 ≥ 0<br />
(20)<br />
Der resultierende Verlauf der PFD(t) eines einkanaligen<br />
SIS-Teilsystems mit HP und TP <strong>für</strong> n 1<br />
=1, n 2<br />
= 2 ist in Bild<br />
2 wiedergegeben.<br />
2. BEWERTUNG DER PRÜFSTRATEGIEN<br />
Die Kosten einer Prüfstrategie bestehend aus der<br />
HP mit n 1<br />
Prüfzeitpunkten und der TP mit n 2<br />
Prüfzeitpunkten<br />
werden durch die Kostenfunktion C(n 1<br />
,n 2<br />
)<br />
quantifiziert<br />
Cn ( , n)<br />
= C⋅ n+ C ⋅ n<br />
(21)<br />
1 2 1 1 2 2<br />
Dabei bezeichnet C 1<br />
die Kosten einer Durchführung der<br />
HP und C 2<br />
die Kosten einer Durchführung der TP.<br />
3. FALLSTUDIE<br />
3.1 SIS-Parameter und Vorgaben<br />
Es wird ein einkanaliges SIS-Teilsystem mit den Parametern<br />
in Tabelle 1 betrachtet. Da<strong>für</strong> werden Prüfstrategien<br />
bestimmt, welche die Unverfügbarkeitsanforderung<br />
PFD avgSET =0,01 nach Gleichung (9) erfüllen. Die<br />
in vorherigen Abschnitten definierten Arten von Wiederholungsprüfungen,<br />
HP und TP, werden angewandt.<br />
Die HP und TP <strong>für</strong> das betrachtete Teilsystem werden<br />
als PT 1 und PT 2 bezeichnet. Durch die Prüfstrategie<br />
muss die mittlere Unverfügbarkeit des SIS, PFD avgMAINT<br />
,<br />
auf einen Wert kleiner als PFD avgSET<br />
reduziert werden.<br />
Demnach müssen die gesuchten anfor derungsgerechten<br />
Prüfstrategien die folgende Ungleichung erfüllen<br />
3.2 Bestimmung der Prüfstrategien<br />
Es werden Prüfstrategien bestehend aus HP und TP <strong>für</strong><br />
die gegebenen Vorgaben und SIS-Parameter bestimmt. In<br />
Bild 3 sind unterschiedliche Prüfstategien als Dreiecke<br />
in Abhängigkeit von n 1<br />
und n 2<br />
, der Anzahl der Prüfzeitpunkte<br />
der HP und der TP, gegeben. Zulässige Prüfstrategien<br />
werden anhand der Ungleichung (18) in Abschnitt<br />
1.5 bestimmt. Die Ungleichung (18) definiert die Fläche<br />
über der roten Linie in Bild 3 und legt damit die zulässigen<br />
Prüfstrategien fest. Die zulässigen Prüfstrategien in<br />
Bild 3 erfüllen damit die vorgegebene Anforderung an<br />
die mittlere Unverfügbarkeit aus Gleichung (9). Zusätzlich<br />
muss das Verhältnis zwischen n 1<br />
und n 2<br />
einer Prüfstrategie<br />
der Bedingung aus Gleichung (15) genügen.<br />
Zu der Pareto-Front gehören diejenigen zulässige Prüfstrategien,<br />
welche die kleinsten zulässigen Werte von n 2<br />
<strong>für</strong> unterschiedliche n 1<br />
aufweisen und somit direkt über<br />
der roten Linie liegen. Die Pareto-optimalen Prüfstrategien<br />
sind als Tupel (n 1<br />
, n 2<br />
) in Tabelle 2 gegeben. Aus<br />
Bild 3 geht hervor, dass die Reduktion von n 1<br />
in der<br />
Regel einhergeht mit einer Erhöhung von n 2<br />
. Die Bedingung<br />
aus Gleichung (15) kann zu Abweichungen von<br />
dieser Regel führen, siehe die Pareto-optimalen Prüfstrategien<br />
ST 2<br />
und ST 3<br />
in Tabelle 2 und Bild 3. Es zeigt<br />
sich, dass <strong>für</strong> zunehmende Werte von n 1<br />
die n 2<br />
Werte<br />
der Pareto-optimalen Prüfstrategien bis auf Null abnehmen.<br />
Ab dann wird die definierte Unverfügbarkeitsanforderung<br />
allein durch die HP erreicht.<br />
Die Auswahl der betriebstechnisch vorteilhaftesten<br />
Prüfstrategie erfolgt gemäß der Kostenbewertung nach<br />
Gleichung (21). Die jeweils kostengünstigste Prüfstrategie<br />
hängt von dem Verhältniss der Kosten einer<br />
Durchführung der TP zu den Kosten einer Durchführung<br />
der HP, C 2<br />
/C 1<br />
, ab. Dieser Zusammenhang ist in Bild<br />
4 visualisiert. Für die Pareto-optimalen Prüfstrategien<br />
sind die resultierenden Kosten, C/C 1<br />
(normiert auf C 1<br />
),<br />
über C 2<br />
/C 1<br />
aufgetragen. Für jede Prüfstrategie ergibt<br />
sich eine Gerade. Aufgrund der unterschied lichen Werte<br />
von n 2<br />
ergeben sich unterschiedliche Steigungen der<br />
Geraden. Die Zunahme der Kosten der Prüfstrategie bei<br />
einer Erhöhung der Kosten C 2<br />
/C 1<br />
hängt ab von n 2<br />
, der<br />
Anzahl der Durchführungen der TP. Der Schnittpunkt<br />
mit der y-Achse hängt von dem Wert n 1<br />
, der Anzahl der<br />
Durchführungen der HP der jeweiligen Prüfstrategie<br />
ab. Kostenoptimal <strong>für</strong> einen Anwendungsfall ist die<br />
Prüfstrategie, welche <strong>für</strong> einen vorgegebenen Wert von<br />
C 2<br />
/C 1<br />
die niedrigsten Kosten C liefert.<br />
Aus Bild 4 geht hervor, dass sich <strong>für</strong> die hier behandelte<br />
Fallstudie drei unterschiedliche kostenoptimale<br />
Prüfstrategien ergeben: <strong>für</strong> niedrige, <strong>für</strong> mittlere und <strong>für</strong><br />
hohe Werte von C 2 /C 1 . Die Ergebnisse werden nachfolgend<br />
beschrieben.<br />
32<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
Parameter λ du<br />
λ 1 (2<br />
λ dd<br />
λ dn<br />
μ dd<br />
1/T L<br />
Wert [h -1 ] 7,2·10 -7 5·10 -7 10·10 -7 0,15·10 -7 0,125 0,951·10 -7<br />
TABELLE 1: Parameter des analysierten SIS-Teilsystems<br />
ST 1<br />
ST 2<br />
ST 3<br />
ST 4<br />
n 1<br />
1 2 3 4<br />
n 2<br />
8 3 4 0<br />
TABELLE 2: Pareto-optimale Prüfstrategien<br />
BILD 3: Bestimmung der<br />
zulässigen Prüfstrategien und der<br />
Pareto-optimalen Prüfstrategien<br />
BILD 4: Kosten der Pareto-optimalen<br />
Prüfstrategien in Abhängigkeit von<br />
C 2<br />
/C 1<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11/ 2012<br />
33
HAUPTBEITRAG<br />
C<br />
Niedrige Kosten der TP: 0 #<br />
2<br />
C<br />
1 0,2<br />
1<br />
Für den Fall von niedrigen Kosten der TP werden Prüfstrategien<br />
mit einer großen Anzahl an Durchführungen<br />
der TP und möglichst kleiner Anzahl an Durchführungen<br />
der HP bevorzugt. In diesem Fall ist (n 1 ,n 2 ) = (1,8). Die kostengünstigste<br />
Prüfstrategie ergibt sich als ST 1 ={PT 1 , PT 2 }<br />
mit PT 1 ={TI 1 } und<br />
PT 2 ={TI 2 ,2·TI 2 ,3·TI 2 ,4·TI 2 ,6·TI 2 ,7·TI 2 ,8·TI 2 ,9·TI 2 ,} <strong>für</strong><br />
TI = 52560 h, TI 1 2 = 10512 h.<br />
C<br />
Mittlere Kosten der TP: 0,2 #<br />
C<br />
2<br />
1<br />
Liegen die Kosten der TP in dem angegebenen mittleren<br />
Bereich, dann ergibt sich als kostengünstigste Prüfstrategie<br />
(n 1<br />
,n 2 ) = (2,3). Das bedeutet ST 2 ={PT 1 , PT 2 } mit<br />
PT 1 ={TI 1 ,2· TI 1 }, PT 2={TI 2 ,3· TI 2 ,5· TI 2 } und mit den Intervallen<br />
TI = 35040 h, TI 1 2 = 17520 h.<br />
2 C2<br />
Hohe Kosten der TP: 3<br />
#<br />
C1<br />
Für den Fall von hohen Kosten der TP werden Prüfstrategien<br />
ohne TP bevorzugt. Als kostengünstigste Prüfstrategie<br />
ergibt sich da<strong>für</strong> ST 4 ={PT 1 , PT 2 } und (n 1 ,n 2 ) = (4,0). Das<br />
re sultierende Prüfintervall beträgt TI 1 = 21024 h <strong>für</strong> die<br />
zuge hörigen Prüfungen PT 1 ={PT 2 ={TI 1 ,2· TI 1 ,3 · TI 1 ,4},<br />
PT 2<br />
={ }.<br />
1<br />
2<br />
3<br />
FAZIT<br />
Mit der beschriebenen Methode zur Bestimmung von<br />
kostenoptimalen Prüfstrategien <strong>für</strong> einkanalige SIS<br />
werden <strong>für</strong> vorgegebene Parameter von SIS kostenoptimale<br />
Prüfstrategien bestehend aus zwei Typen von Wiederholungsprüfungen<br />
ermittelt. Die Hauptprüfungen<br />
zeichnen sich durch höhere Prüfabdeckung und höheren<br />
Prüfaufwand aus, die Teilprüfungen haben niedrigere<br />
Prüfabdeckung und benötigen geringeren Prüfaufwand.<br />
Die Auswirkungen von nicht-entdeckbaren Fehlern<br />
werden berücksichtigt. Es wurde gezeigt, dass die<br />
kostenoptimale Prüfstrategie von dem Verhältnis der<br />
Kosten der Hauptprüfung zu den Kosten der Teilprüfung<br />
abhängt. Deshalb werden durch Teilprüfungen die<br />
Prüfintervalle der Hauptprüfungen verlängert und die<br />
Anzahl der damit verbundenen Produktionsstillstände<br />
bei gleicher Unverfügbarkeit reduziert.<br />
Angewandt auf eine Fallstudie zeigte sich, dass das<br />
Intervall der Hauptprüfung durch die Teilprüfung mehr<br />
als verdoppelt werden kann. Damit können in der Praxis<br />
Teilhubtests bei Aktoren und Teilprüfungen bei Sensoren<br />
eingesetzt werden, um kostenoptimale <strong>Instandhaltungsstrategien</strong><br />
zu erhalten.<br />
MANUSKRIPTEINGANG<br />
04.06.2012<br />
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />
AUTOREN<br />
Dipl.-Ing. KONSTANTIN<br />
MACHLEIDT<br />
(geb. 1980) ist wissenschaftlicher<br />
Mitarbeiter am Lehrstuhl<br />
<strong>für</strong> Automatisierungstechnik<br />
der TU Kaiserslautern.<br />
Sein Forschungsschwerpunkt<br />
liegt im Bereich der Bestimmung<br />
effizienter <strong>Instandhaltungsstrategien</strong><br />
<strong>für</strong> <strong>PLT</strong>-<strong>Schutzeinrichtungen</strong>.<br />
TU Kaiserslautern,<br />
Lehrstuhl <strong>für</strong> Automatisierungstechnik,<br />
Erwin-Schrödinger-Straße 12,<br />
D-67653 Kaiserslautern,<br />
Tel. +49 (0) 631 205 44 54,<br />
E-Mail: machleidt@eit.uni-kl.de<br />
Prof. Dr.-Ing. habil. LOTHAR LITZ<br />
(geb. 1949) leitet den Lehrstuhl<br />
<strong>für</strong> Automatisierungstechnik<br />
und bekleidet das Amt des<br />
Vizepräsidenten der TU Kaiserslautern.<br />
Hauptarbeitsgebiete:<br />
Process Safety, Networked<br />
Control Systems, Design and<br />
Analysis of Discrete Event<br />
Systems, Ambient Assisted<br />
Living.<br />
TU Kaiserslautern,<br />
Lehrstuhl <strong>für</strong> Automatisierungstechnik,<br />
Erwin-Schrödinger-Straße 12,<br />
D-67653 Kaiserslautern,<br />
Tel. +49 (0) 631 205 44 51,<br />
E-Mail: litz@eit.uni-kl.de<br />
34<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
REFERENZEN<br />
[1] IEC 61511, Teil 1 – 3: Functional safety – Safety<br />
Instrumented Systems for the Process Industry Sector.<br />
International Electrotechnical Commission. 2004<br />
[2] IEC 61508, Teil 1 – 6: Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener<br />
elektrischer/elektronischer/programmierbarer<br />
elektronischer Systeme. International<br />
Electrotechnical Commission. 2010<br />
[3] Machleidt, K. und Litz, L.:<br />
An Optimization Approach for Safety Instrumented<br />
System Design. In: Proc. Ann. Reliability & Maintainability<br />
Symp. (RAMS 2011), S. 409 – 414, 2011<br />
[4] Machleidt, K. und Litz, L.:<br />
Kosteneinsparungen bei <strong>PLT</strong>-<strong>Schutzeinrichtungen</strong><br />
durch automatischen optimierten Entwurf.<br />
In: Tagungsband Automation 2011, S. 169 – 172.<br />
VDI, 2011<br />
[5] Machleidt, K., Litz, L., Gabriel, T.:<br />
SIS-design automation by use of Abstract Safety<br />
Markup Language. In: Advances in Safety, Reliability<br />
and Risk Management (ESREL 2011), S. 970 – 976, 2011<br />
[6] Bukowski, J.: Impact of proof test effectiveness on<br />
safety instrumented system performance. In: Proc.<br />
Ann. Reliability & Maintainability Symp. (RAMS 2009),<br />
S. 157 – 163, 2009<br />
[7] Gabriel, T., Litz, L., Schrörs, B.:<br />
Generische Erzeugung von Markov-Modellen zur<br />
Berechnung sicherheitstechnischer Kenngrößen in<br />
<strong>PLT</strong>-<strong>Schutzeinrichtungen</strong>.<br />
<strong>atp</strong> – Automatisierungstechnische Praxis 50 (7),<br />
S. 53 – 60, 2008<br />
[8] Felgner, F., Frey, G.: Multi-Phase Markov Models for<br />
Functional Safety Prediction. In: Proceedings of the 3 rd<br />
International Workshop on Dependable Control of<br />
Discrete Systems, S. 133 – 140, 2011<br />
[9] Bukowski, J.: Modeling and analyzing the effects of<br />
periodic inspection on the performance of safety-critical<br />
systems. In: IEEE Transactions on Reliability 50,<br />
321 – 329, 2001<br />
[10] Machleidt, K. und Litz, L.:<br />
Optimal prooftests for Safety Instrumented Systems<br />
based on maintenance models.<br />
In: 11 th International Probabilistic Safety Assessment<br />
and Management Conference & The Annual European<br />
Safety and Reliability Conference (PSAM11 & ESREL<br />
2012), [im Druck]<br />
[11] Börcsök, J., Schrörs, B., Holub, P.:<br />
Reduzierung der Ausfallwahrscheinlichkeit und<br />
Verlängerung des Proof-Test-Intervalls durch Einsatz<br />
von Partial-Stroke-Tests am Beispiel von Stellgeräten.<br />
<strong>atp</strong> – Automatisierungstechnische Praxis 50 (11),<br />
S. 48 – 56, 2008<br />
[12] Machleidt, K. und Litz, L.:<br />
Rechnergestützte Ermittlung optimaler <strong>Instandhaltungsstrategien</strong><br />
<strong>für</strong> <strong>PLT</strong>-<strong>Schutzeinrichtungen</strong>.<br />
In: Tagungsband Automation 2012, S. 191-194,<br />
VDI, 2012<br />
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11/<br />
81671<br />
2012<br />
München<br />
35
HAUPTBEITRAG<br />
In Echtzeit: RFID-gestütztes<br />
Produktionsassistenzsystem<br />
Robuste Produktion durch bessere Lieferkettentransparenz<br />
Moderne Produktionsnetzwerke nutzen vermehrt exakt aufeinander abgestimmte Prozesse,<br />
die durch geringe Zeit- und Bestandspuffer gekennzeichnet sind. Die Durchführung<br />
von geplanten Produktionssequenzen ist damit anfällig <strong>für</strong> kostspielige Störungen von<br />
Zulieferprozessen geworden. Assistenzsysteme können mit Hilfe von Echtzeit-Objektverfolgungsdaten<br />
derartige Störungen frühzeitig identifizieren und effektive Gegenmaßnahmen<br />
ausführen. Im Beitrag wird ein Produktionsassistenzsystem (PAS) auf Basis der<br />
Siemens MES-Lösung Simatic IT vorgestellt, welches im Rahmen des BMWi-Forschungsprojekts<br />
RAN (RFID-based Automotive Network) erarbeitet wurde. Die vorgestellten Arbeiten<br />
gewährleisten eine weitestgehend stabile Produktionsdurchführung in hoch effizienten<br />
aber volatilen Lieferketten.<br />
SCHLAGWÖRTER Manufacturing Execution System / Radio-Frequency Identification /<br />
Produktionsassistenzsystem<br />
RFID-based assistant systems on MES level:<br />
Robust production systems through supply chain transparency<br />
Modern production networks are characterized by a synchronization of material supply<br />
and demand with largely reduced time and stock. Consequently, production sequences<br />
are extremely exposed to disturbances that result in costly rework activities. Through the<br />
utilization of real-time monitoring systems (e.g. RFID-based), assistant systems can identify<br />
disturbances early and use the resulting timeframe prior to the delivery for mitigating<br />
their effects through preventive measures. The following paper describes such a Production<br />
Assistant System (PAS). The PAS has been developed based on the Siemens MES<br />
solution SIMATIC IT as part of the RAN (RFID-based Automotive Network) research<br />
project. Two main topics are addressed: i) the integration of standardized RFID data from<br />
objects tracked along the supply chain into the MES level and ii) the utilization of this<br />
data in conjunction with plan data from MES and ERP systems to generate an optimized<br />
sequence of production orders. The goal is to ensure a stable production execution in<br />
highly efficient but volatile supply networks.<br />
KEYWORDS Manufacturing Execution System / Radio-frequency identification /<br />
production assistant system<br />
36<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
RAFFAELLO LEPRATTI, Siemens<br />
GEORG HEINECKE, ETH Zürich / Siemens<br />
STEFFEN LAMPARTER, JOACHIM SCHARNAGL, RALF HANSEN, Siemens<br />
Sequenzgenaue Anlieferungen (Just-In-Sequence,<br />
JIS) von Komponenten haben speziell in der<br />
Automobilindustrie die Lagerbestände weitestgehend<br />
beseitigt. Die Durchführung der geplanten<br />
Produktionssequenzen ist damit gleichzeitig<br />
anfällig <strong>für</strong> Störungen in den Zulieferprozessen<br />
geworden. Derartige Störungen werden erst festgestellt,<br />
wenn die Komponenten nicht zur geplanten Zeit zur Verfügung<br />
stehen. Dies führt zu möglichen Vertragsstrafen<br />
<strong>für</strong> Zulieferer und kostenintensiven Nachbearbeitungen<br />
sowie aufwendigen Umplanungen beim Fahrzeughersteller.<br />
Ein wesentlicher Grund <strong>für</strong> die Verzerrung zwischen<br />
dem Auftreten der Störung in der Lieferkette und<br />
der Erkennung ihrer Auswirkungen auf ein nachgelagertes<br />
Unternehmen liegt in der mangelhaften Ausprägung<br />
der unternehmensübergreifenden Informationsflüsse<br />
und der hierdurch verursachten Prozessintransparenz.<br />
Das vom BMWi geförderte Forschungsprojekt RAN<br />
(RFID-based Automotive Network, www.autoran.de)<br />
greift diese Schwachstelle auf. Es stellt den Teilnehmern<br />
einer Lieferkette in der Automobilindustrie Objektverfolgungsdaten<br />
mit Hilfe von Auto-ID-Technologien <strong>für</strong><br />
eine weitergehende Auswertung durch Assistenzsysteme<br />
zur Verfügung. Wie Bild 1 zeigt, kommen hier<strong>für</strong> RFIDbasierte<br />
Erfassungssysteme zum Einsatz, deren Daten in<br />
ein standardisiertes Beschreibungsformat (Electronic<br />
Product Code Information System, EPCIS) übersetzt werden<br />
[1] und über eine verteilte Datenbank (InfoBroker)<br />
unternehmensübergreifend und zeitnah bereitgestellt<br />
werden können.<br />
Dieser Beitrag thematisiert die Verwendung dieser<br />
logistischen Daten durch unternehmensinterne Manufacturing<br />
Execution Systeme (MES), wie sie in IEC 62264<br />
definiert werden [2]. MES-Lösungen umfassen standardmäßig<br />
Komponenten <strong>für</strong> die Prozessüberwachung,<br />
Produktionsplanung sowie -durchführung und lassen<br />
sich daher zur Störungsidentifikation sowie -behandlung<br />
einsetzen. Zur Bündelung und Umsetzung dieser<br />
Assistenzfunktionalitäten wird ein Produktionsassistenzsystem<br />
(PAS) auf Basis der Siemens MES-Lösung<br />
Simatic IT vorgestellt (vergleiche Bild 1). Dadurch wird<br />
das MES befähigt, kontinuierlich die realen Prozessabläufe<br />
den Produktionsplänen gegenüberzustellen und<br />
bei kritischen Abweichungen zeitnah mittels intelligenter<br />
Umstellung von Produktionsaufträgen zu reagieren.<br />
1. STAND DER TECHNIK<br />
Störungen der Lieferkette lassen sich präventiv vermeiden<br />
oder reaktiv behandeln. Ersteres ist der Fokus von<br />
Risikomanagement, welches in der Wissenschaft bereits<br />
ausführlich thematisiert wird [3] und in der Praxis<br />
bereits breitere Anwendung findet als reaktive Maßnahmen<br />
[4]. Allerdings lassen sich Störungen in der Praxis<br />
weder komplett vermeiden noch in jedem Fall ökonomisch<br />
sinnvoll durch Risikomanagement und präventive<br />
Maßnahmen adressieren [5]. Aus diesem Grund<br />
dient das Supply Chain Event Management (SCEM)<br />
dazu, Störungen frühzeitig zu erkennen und reaktive<br />
Maßnahmen schnell auszulösen, die den Material- und<br />
Informationsfluss so anpassen, dass Auswirkungen<br />
minimiert werden [6].<br />
Bei dem in diesem Beitrag vorgestellten PAS handelt<br />
es sich um ein SCEM-System. In diesem Markt waren<br />
unter anderem i2 und Manugistics mit eigenständigen<br />
Lösungen vertreten, bevor beide Unternehmen in der JDS<br />
Software Group aufgegangen sind. Auch SAP bietet im<br />
Rahmen von mySAP Supply Chain Management ein<br />
SCEM-Modul an, welches ein Teil der Funktionalitäten<br />
abdeckt [7]. Diese Systeme sind eng an die ERP-Ebene<br />
gekoppelt und beschränken sich in ihren Handlungen<br />
weitestgehend auf Alarmierungsfunktionalitäten [7]. Um<br />
Handlungsspielräume in der Zulieferkette und in der<br />
eigenen Produktion zu nutzen, wird im Artikel eine Integration<br />
des PAS mit der MES-Ebene vorgeschlagen, was<br />
sehr kurzfristige Eingriffe in das Produktionsprogramm<br />
ermöglicht. Durch vorhandene Plandaten und Schnittstellen<br />
im MES ergibt sich <strong>für</strong> das PAS damit die Möglichkeit,<br />
die gängigen Meldefunktionen einerseits in<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012<br />
37
HAUPTBEITRAG<br />
Hinsicht auf eine Bewertung der Auswirkungen auf das<br />
geplante Produktionsprogramm und andererseits um<br />
Nutzung von Handlungsspielräumen durch Umplanungen<br />
zu erweitern.<br />
Trotz klarer Vorteile sind derartige Funktionalitäten<br />
kaum realisierbar. Das ist im Wesentlichen durch einen<br />
mangelhaften, unternehmensübergreifenden Informationsaustausch<br />
(zum Beispiel Objektverfolgungsdaten) zu erklären,<br />
der <strong>für</strong> derartige Systeme zwingend notwendig ist [8].<br />
Um dieses Problem zu adressieren, fokussieren sich eine<br />
Vielzahl von national geförderten Forschungsprojekten auf<br />
den unternehmensübergreifenden Datenaustausch von<br />
Echtzeit-Objektverfolgungsdaten. Beispielsweise werden<br />
im Forschungsprojekt smaRTI Informationen wie Zustand,<br />
Position und Ladung von Ladungsträgern in Echtzeit über<br />
standardisierte Schnittstellen verteilt und ermöglichen<br />
BILD 1: Überbetriebliche RAN-Architektur zur<br />
Verbesserung der Prozesstransparenz<br />
BILD 2: Erforderliche Schritte zur Anreicherung von<br />
RFID-Rohdaten<br />
einen Echtzeitblick auf die gesamte Supply-Chain (www.<br />
smart-rti.de). RAN hebt sich davon unter anderem durch<br />
die zusätzliche Datenerhebung entlang von Produktionsprozessen<br />
sowie die objektbezogene Datenerfassung ab. In<br />
einem weiteren BMWi Forschungsprojekt, Kollaboration<br />
und RFID (KO-RFID www.ko-rfid.hu-berlin.de), wurde<br />
ebenfalls eine lieferkettenweite Objektüberwachung mit<br />
Hilfe eines EPCIS-basierten Assistenzsystems verfolgt [9].<br />
Das in diesem Beitrag vorgestellte PAS führt die in<br />
KO-RIFD begonnenen Entwicklungen in Richtung von<br />
EPCIS-basierten SCEM-Systemen fort und beschreibt<br />
konkret, wie die vorgeschlagenen Assistenzfunktionen<br />
als Erweiterung zu existierenden MES-Lösungen realisiert<br />
werden können. Da der EPCIS-Standard <strong>für</strong> die<br />
Identifikation von Objekten neben dem Electronic Product<br />
Code-Format (EPC-Format) auch <strong>für</strong> andere in der<br />
Automobilindustrie verwendete, ISO/IEC 15459-konforme<br />
Objektindentifizierungsschemata (zum Beispiel gemäß<br />
Odette beziehungsweise DUNS) anwendbar ist, ergeben<br />
sich hierdurch keinerlei Einschränkungen in der<br />
Anwendbarkeit des PAS.<br />
Um aus den großen Mengen an RFID-Rohdaten die<br />
störungsrelevanten Informationen zu identifizieren,<br />
gibt es in der Literatur eine Vielzahl von Ansätzen, die<br />
mit Hilfe explizit definierter oder automatisiert gelernter<br />
Modelle die Ereignisströme analysieren. Die Modelle<br />
reichen von relativ einfachen regelbasierten Ansätzen<br />
[10] über Petri-Netze [11] bis hin zu probabilistischen<br />
Modellierungsansätzen, beispielsweise auf Basis von<br />
Markov-Ketten [12]. Ähnlich wie schon in [10] wird im<br />
hier vorgestellten PAS Complex Event Processing (CEP)<br />
verwendet, um mit Hilfe vorgegebener Muster komplexe<br />
Situationen aus den EPCIS-Ereignissen abzuleiten [13].<br />
Durch den komponentenbasierten Aufbau der vorgestellten<br />
Lösung lassen sich weitergehende Analysefunktionen<br />
leicht integrieren.<br />
2. RFID-DATENERFASSUNG UND EPCIS-STANDARD<br />
Um Störungen zu erkennen, ist ein hohes Maß an Prozesstransparenz<br />
erforderlich, die durch eine möglichst<br />
lückenlose Objektverfolgung gewährleistet werden<br />
kann; das heißt <strong>für</strong> jedes Produkt in der Lieferkette<br />
soll zu jedem Zeitpunkt dessen Ort und Zustand<br />
bekannt sein. Eine derartige automatisierte Verfolgung<br />
wird durch die Kennzeichnung der Objekte mit einer<br />
Identifikationsnummer in Verbindung mit moderner<br />
Erfassungstechnologie ermöglicht. Hierbei erlaubt insbesondere<br />
RFID-Technologie eine kontaktlose Echtzeit-Datenerfassung<br />
bei einer geringen Anzahl an Fehllesungen.<br />
Zudem ermöglichen in Zukunft steigende<br />
Speichermengen bei sinkenden Transponderpreisen<br />
eine dezentrale Ablage von produktspezifischen Daten<br />
direkt am Produkt. Um die RFID-Einführung zu<br />
erleichtern, wurden Erfassungsklassen (EFKs) definiert.<br />
Sie beschreiben und klassifizieren die Grundanforderungen<br />
von wiederkehrenden Anwendungsszenarien,<br />
wie beispielsweise die Multitaglesefähigkeit,<br />
den Bedarf an Lese- und/oder Schreibfähigkeit sowie<br />
die Anforderung an die Zeitsynchronisation. Bei der<br />
38<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
Definition der Erfassungsklassen wurden der Einsatzzweck<br />
und mögliche Lösungswege <strong>für</strong> die beschriebene<br />
Erfassungsaufgabe unter Beachtung der Hardware-<br />
und Softwareanforderungen beschrieben.<br />
Beispiele aus der Automobilindustrie sind das RFID-<br />
Gate und die Handerfassung. Ein RFID-Gate ist eine<br />
Anordnung mehrerer RFID-Antennen, das auf einem<br />
Förderfahrzeug geladene Güter bei Durchfahrt durch ein<br />
Verladetor erfasst. Im Gegensatz zu solchen stationären<br />
Einrichtungen definiert die Erfassungsklasse Handerfassung<br />
RFID-Schreib-/Lesegeräte, welche mobil eingesetzt<br />
werden können und meist zur (Nach-)Erfassung einzelner<br />
Objekte genutzt werden (zum Beispiel bei Ausfall<br />
anderer Erfassungsklassen). Die Einbindung der Erfassungsklassen<br />
unter Verwendung von standardisierten<br />
Protokollen und Datenformaten ist schematisch in Bild<br />
2 dargestellt.<br />
Jede EFK verfügt über eine meist individuelle Erfassungssoftware,<br />
mit deren Hilfe die im Feld befindlichen<br />
RFID-Transponder ausgelesen und an eine Filtersoftware<br />
weitergegeben werden. Die meisten der<br />
heutigen RFID-Lösungen setzten hierbei proprietäre<br />
Datenformate <strong>für</strong> die Schreib-/Lese-Telegramme ein.<br />
EPCIS beschreibt zwar ein Standardprotokoll, das sog.<br />
Low Level Reader Protocol [14], dieses spielt aber bei<br />
den meisten Herstellern und Anwendern eine eher<br />
untergeordnete Rolle.<br />
Um eine robuste Objekterfassung zu realisieren, werden<br />
die von RFID-Readern aufgenommenen Schreib-/<br />
Lese-Telegramme durch eine nachgelagerte Filtersoftware<br />
bearbeitet (siehe Bild 2). Sie entfernt fehlerhafte<br />
oder doppelte Lesungen, wandelt Rohdatenformate – wie<br />
sie direkt auf dem Transponder abgelegt sind – in <strong>für</strong><br />
nachgelagerte Systeme verständliche Formate um und<br />
fügt Konfigurationsdaten, wie beispielsweise eine Reader-Identifikationsnummer,<br />
dem Datensatz hinzu. Für<br />
die Weitergabe der Daten von der Erfassungsklasse an<br />
die übergeordnete Architektur (zum Beispiel an das<br />
MES) wird meist der von EPCGlobal definierte Standard<br />
ALE (Application Level Events) verwendet [15].<br />
Um <strong>für</strong> weitere verbundene IT-Systeme relevante<br />
Informationen hinzuzufügen, ist der EFK eine Capture<br />
Application nachgelagert. Ihre Funktionalität ist im<br />
EPCIS-Standard beschrieben [1] und in Bild 2 beispielhaft<br />
skizziert. Sie empfängt ALE-Reports, reichert diese<br />
je nach Anwendungsfall mit weiteren Informationen<br />
aus anderen IT-Systemen und/oder Konfigurationsdaten<br />
an und generiert EPCIS-Events. Ein EPCIS-Event kodiert<br />
eine Objektbeobachtung und spezifiziert somit, welches<br />
Objekt (was?), zu welcher Zeit (wann?), an welcher Lokation<br />
(wo?), in welchem Geschäftskontext (warum?)<br />
erfasst wurde. Objekte werden hierbei unter Verwendung<br />
des Electronic Product Code (EPC) oder eines<br />
anderen ISO/IEC 15459-konformen Nummernschemas<br />
weltweit eindeutig identifiziert. Unter anderem können<br />
Lokationen je nach Anwendungsfall über den Geschäftsprozess<br />
(bizStep), den Ort (bizLocation) und/oder die<br />
Nummer des Lesegeräts (readPoint) beschrieben werden.<br />
Entsprechend standardisierte Kennzeichnungen<br />
werden im Common Business Vocabulary [16] definiert<br />
und lassen sich von verschiedensten Anwendungen –<br />
auch in einem unternehmensübergreifenden Anwendungsfall<br />
wie dem einer komplexen Lieferkette – eindeutig<br />
auswerten.<br />
3. INTEGRATION VON RFID-DATEN IN DIE MES-EBENE<br />
Ein MES umfasst gemäß des IEC 62264-Standards [2]<br />
bereits wesentliche produktionsbezogene Daten (Auftrags-,<br />
Betriebs- und Maschinendaten), Schnittstellen<br />
(Anbindung an die ERP und Steuerungsebene) und Komponenten<br />
(Prozessüberwachung, Produktionsplanung<br />
und -durchführung) <strong>für</strong> die Umsetzung eines Produktionsassistenzsystems<br />
(PAS). Hauptaugenmerk der<br />
Schnittstellen-Standardisierung im IEC 62264-Standard<br />
ist der Datenaustausch zwischen MES und ERP-Systemen.<br />
Im Kontext der Betriebsdatenerfassung wird im<br />
Standard die RFID-basierte Bereitstellung von Echtzeit-<br />
Prozessdaten nicht explizit betrachtet. Daher sehen<br />
MES-Lösungen standardisierte Konnektoren <strong>für</strong> RFID-<br />
Daten in ihrer Datenintegrationsschicht typischerweise<br />
nicht vor. Um die Datenbereitstellung von Echtzeit-<br />
Prozessdaten zu ermöglichen, werden im Folgenden<br />
zwei standardisierte Konnektoren beschrieben, die die<br />
Anbindung eines MES an den unternehmensübergreifenden<br />
InfoBroker und an die darunter liegende RF-<br />
Middleware ermöglichen.<br />
Der EPCIS-Konnektor realisiert die Anbindung des<br />
MES an den InfoBroker, um die durch RFID-Technologie<br />
aufgenommenen und im EPCIS-Format beschriebenen<br />
Objektverfolgungsdaten der Lieferkette (vergleiche<br />
Abschnitt 1) im PAS auszuwerten. Für die Anbindung<br />
an den InfoBroker wurden die im EPCIS-Standard definierten<br />
EPCIS Query Interface und EPCIS Capture Interface<br />
implementiert. Sobald ein EPCIS-Event empfangen<br />
wurde, wird dies vom EPCIS-Konnektor in eine MESinterne<br />
Datenstruktur umgewandelt und dem MES <strong>für</strong><br />
weitere Verarbeitungsschritte übergeben. Zusätzlich<br />
implementiert der EPCIS-Konnektor das EPCIS Capture<br />
Interface, wodurch Informationen aus der Produktion<br />
(zum Beispiel Produktionsstart beziehungsweise -ende)<br />
an den InfoBroker übermittelt werden.<br />
Der EPCIS-Konnektor zielt hauptsächlich auf Objekterfassungen<br />
in der Logistik oder bei externen Produktionsstätten<br />
ab. Werden RFID-Daten aus der eigenen Produktion<br />
erfasst, so ist der Umweg über den InfoBroker nicht<br />
notwendig. Verfügbare MES-Systeme bieten eine direkte<br />
Datenanbindung an die RF-Middleware. Diese sind jedoch<br />
meist individuell realisiert, zum Beispiel über die vorhandene<br />
OPC-Schnittstelle. Dies hat den Nachteil, dass jede<br />
Änderung der Erfassungsinfrastruktur aufwendige<br />
Anpassungen der Software bedingt. Da die in Abschnitt<br />
2 beschriebenen Erfassungsklassen Daten standardmäßig<br />
in ALE bereitstellen, kann mit Hilfe eines ALE-Konnektors<br />
die RF-Middleware verschiedener Hersteller integriert<br />
werden, ohne dass manuelle Anpassungen notwendig<br />
sind (vergleiche Bild 3). Dabei übernimmt der<br />
ALE-Konnektor alle Kommunikationsaufgaben, die <strong>für</strong><br />
einen Datenaustausch mit der RF-Middleware notwendig<br />
sind. Insbesondere konvertiert er die ALE-Reports in ein<br />
MES-internes Format vor und stellt die Daten mit einem<br />
einheitlichen Mechanismus zur Verfügung.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012<br />
39
HAUPTBEITRAG<br />
4. DAS PRODUKTIONSASSISTENZSYSTEM<br />
Das von Siemens entwickelte Produktionsassistenzsystem<br />
(PAS) dient dazu, die Überwachungs- und Planungsfunktionalität<br />
auf MES-Ebene umfangreich zu<br />
erweitern. Das PAS verwendet die zusätzlichen Objektverfolgungsdaten<br />
(siehe Abschnitt 3) in Verbindung mit<br />
den bereits vorhandenen Plandaten zur frühzeitigen<br />
Erkennung und Behandlung von Störungen. Hierzu<br />
muss es zwei Aufgaben erfüllen: Zum einen verwertet<br />
das PAS Objektverfolgungsdaten durch einen Abgleich<br />
mit den Plandaten, um daraus <strong>für</strong> das Unternehmen<br />
kritische Störungen des Materialflusses frühzeitig<br />
abzuleiten. Zum anderen konzipiert das PAS im Rahmen<br />
des vorhandenen Handlungsspielraums neue Produktionsauftragsequenzen,<br />
sobald eine kritische Störung<br />
identifiziert wurde. Die Sequenz, welche die<br />
hinterlegten Optimierungskriterien am Besten erfüllt,<br />
wird dem Benutzer als empfohlene Handlungsmaßnahme<br />
vorgeschlagen. Somit dient das PAS der Generierung<br />
von robusten Produktionssequenzen in volatilen<br />
Lieferketten – und dies, ohne auf teure Notfalllogistik-Lösungen<br />
zurückgreifen zu müssen.<br />
Basierend auf der im Abschnitt 3 beschriebenen Datenintegration<br />
können im PAS Abweichungen gegenüber<br />
den bereits bekannten Plan-Daten abgeleitet werden. Das<br />
Vorgehen ist in Bild 4 erläutert. So lassen sich zeitliche<br />
Abweichungen an einem Erfassungspunkt beispielsweise<br />
entweder aufgrund einer verspäteten Erfassung<br />
des Objekts oder des Ausbleibens eines Events erkennen.<br />
Für Letzteres muss aus historischen Durchlaufzeiten<br />
(zum Beispiel Transportdauern) zwischen zwei sequenziellen<br />
Erfassungspunkten, im Folgenden mit A und B<br />
bezeichnet, ein Erwartungswert e AB gebildet werden. Zur<br />
Prognose von Transportdauern auf Basis historischer<br />
Werte gibt es verschiedene statistische Verfahren; das<br />
diesem Ansatz zugrunde liegende Verfahren wird in [8]<br />
näher beschrieben. Des Weiteren ist ein Zähler e AB notwendig,<br />
der die Zeit seit der letzten Erfassung des Objekts<br />
i am Punkt A wiedergibt. Mit Hilfe der entsprechenden<br />
Zeitstempel e A und gegebenenfalls e B (e B = e A + e AB) der<br />
erfassten EPCIS-Events lässt sich dann beim Auftreten<br />
und Ausbleiben eines Events eine Abweichung der<br />
Durchlaufzeit einer Lieferung von Objekt i folgendermaßen<br />
berechnen:<br />
e e e , e e e<br />
B A AB B A AB<br />
e e , e e e e<br />
i AB AB A AB A AB<br />
(1)<br />
0, sonst<br />
Nachdem eine Abweichung Δ i <strong>für</strong> eine Zulieferung des<br />
Objekts i festgestellt ist, werden unter Zuhilfenahme<br />
der im MES vorliegenden Stücklisten die von der Verspätung<br />
betroffenen Produktionsaufträge identifiziert<br />
(vergleiche [18]).<br />
Ein betroffener Auftrag 1 wird mit Hilfe seines geplanten<br />
Produktionsstarttermins g 1 aus dem Produktionsauftragsmanagementsystem<br />
dahingehend überprüft, ob und wie<br />
stark die momentane Abweichung Δ i den Produktionsstart<br />
gefährdet. Da<strong>für</strong> muss die Entwicklung der erkannten Verspätung<br />
Δ i (mit Δ i > 0) über die dem Erfassungspunkt B<br />
nachfolgenden Prozesse abgeschätzt werden, um die wahrscheinliche<br />
Ankunftszeit i i der Lieferung von Objekt i zu<br />
quantifizieren. Im PAS erfolgt dies derzeit über die vereinfachende<br />
Annahme von gut beherrschten Folgeprozessen,<br />
das heißt Prozessen mit deterministischen Durchlaufzeiten,<br />
sodass eine am Erfassungspunkt B erkannte Verspätung<br />
Δ i den geplanten Liefertermin i 0 am Wareneingang in<br />
gleichem Maße beeinflusst (d. h. i i = i0 + D i).<br />
Ergibt sich i i > g 1, so liegt eine kritische Störung <strong>für</strong> Auftrag<br />
1 vor, da der geplante Produktionsstarttermin nicht<br />
gehalten werden kann. Im nächsten Schritt berechnet das<br />
PAS den Auftragsschlupf zwischen Produktionsendtermin<br />
und Versandtermin, wobei die Informationen bezüglich der<br />
Auftragsfristen aus dem MES übernommen werden. Daraus<br />
leitet sich ab, wie weit ein Auftrag von seiner gegenwärtigen<br />
Position in der Sequenz zurückgeschoben werden kann, um<br />
den avisierten Versandtermin dennoch zu halten. Daran<br />
anschließend werden die vorhergehenden Schritte <strong>für</strong> alle<br />
weiteren – von der Abweichung Δ i betroffenen – Aufträge<br />
durchgeführt, damit die anschließende Maßnahmenplanung<br />
deren Verspätungen ebenfalls berücksichtigen kann.<br />
Durch diesen Schritt stehen alle Aufträge fest, bei denen<br />
der Produktionsstarttermin gefährdet ist. Basierend darauf<br />
werden unter Berücksichtigung von Randbedingungen<br />
und Optimierungskriterien mögliche Umplanungen<br />
konzipiert. Dazu muss der Auftragsschlupf aller sequenzierten<br />
Aufträge bestimmt werden, um in der Optimierung<br />
eine Minimierung der summierten Verspätung des<br />
gesamten Produktionsplans bei minimalen Sequenzänderungen<br />
zu bestimmen. Das derzeit <strong>für</strong> diese reaktive<br />
Produktionsumplanung eingesetzte Optimierungsverfahren<br />
wird in [18] beschrieben und mit anderen Ansätzen<br />
verglichen. Die vom System als optimal eingestufte Produktionssequenz<br />
wird dem Produktionsplaner als Gegenmaßnahme<br />
<strong>für</strong> eine Störung vorgeschlagen.<br />
5. PROTOTYPISCHE UMSETZUNG AUF BASIS<br />
VON SIMATIC IT<br />
Der Ausgangspunkt der im Beitrag vorgestellten Umsetzung<br />
eines PAS ist das MES Simatic IT, das den größten Teil der<br />
von IEC 62264 geforderten Funktionalitäten bereits aufweist.<br />
Es verfolgt dabei einen komponentenbasierten<br />
Ansatz, in dem alle vom Produktionssystem benötigten<br />
Funktionen von unabhängigen Komponenten bereitgestellt<br />
werden. Die Komponente Simatic IT Production Suite bündelt<br />
dabei Komponenten <strong>für</strong> Design, Betrieb und Wartung<br />
einer MES-Lösung und beinhaltet den Data Integration Service<br />
als flexible Datenintegrationsschicht (vergleiche mit<br />
Abschnitt 2). Dadurch kann Simatic IT um die in Kapitel 3,<br />
4 und 5 beschriebenen Komponenten erweitert werden.<br />
Zur Verifikation der beschriebenen Konzepte innerhalb<br />
einer realen Produktionsumgebung wurden diese prototypisch<br />
auf Basis der SmartAutomation-Forschungsanlagen<br />
der Siemens Standorte Karlsruhe und Nürnberg<br />
umgesetzt. Bild 5 zeigt die im Zuge der Umsetzung realisierten<br />
Erweiterungen der Forschungsanlage in Nürnberg.<br />
In der SmartAutomation-Anlage wurde eine direkte<br />
Anbindung zweier Erfassungsklassen (RFID-Gate und<br />
Handerfassung) an den InfoBroker sowie einer dritten<br />
40<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
Erfassungsklasse (Single Readpoint) mittels ALE-Konnektor<br />
an Simatic IT als Capturing Application realisiert. Die<br />
Anbindung erfolgte in beiden Fällen unter Verwendung<br />
des Simatic RF-Manager. Hierbei handelt es sich um eine<br />
Softwareumgebung, mit der die angebundene RFID-Hardware<br />
konfiguriert, überwacht und Daten von erfassten<br />
RFID-Transpondern per ALE-Report zur Verfügung<br />
gestellt werden können. Der Datenaustausch zwischen<br />
RFID-Gate, Handerfassung und Simatic IT wurde mit<br />
einem InfoBroker realisiert (Für den Prototyp wird als<br />
InfoBroker eine erweiterte Version des Infosphere Traceability<br />
Servers von IBM verwendet.). Durch die RFID-<br />
Hardware werden EPCIS-Events zur Dokumentation der<br />
Vereinnahmung, Vereinzelung sowie dem Produktionsstart<br />
und -ende erzeugt. Des Weiteren werden noch EPCIS-<br />
Events vom Warenausgang in Karlsruhe sowie dem Fortschritt<br />
des Zuliefertransports ins System eingespeist. Die<br />
Anbindung des InfoBrokers an Simatic IT wurde mittels<br />
des in Abschnitt 3 beschriebenen EPCIS-Konnektors<br />
durchgeführt. Durch den Konnektor können EPCIS-<br />
Events aus Simatic IT an den InfoBroker und auch vom<br />
InfoBroker an Simatic IT übermittelt werden.<br />
Die so erhaltenen EPCIS-Events werden dem in<br />
Abschnitt 4 beschriebenen Produktionsassistenzsystem<br />
zur Verfügung gestellt. Bild 6 zeigt die Aufbereitung der<br />
daraus resultierenden, relevanten Informationen durch<br />
die Benutzeroberfläche des PAS. Im oberen Drittel werden<br />
die an der Lieferkette teilnehmenden Akteure dargestellt.<br />
Durch die Anwahl einer dieser Akteure wird im<br />
unteren linken Bereich dessen detailierte Prozesskette<br />
angezeigt. Für die Bezeichnungen der Prozessschritte<br />
und der Erfassungsklassen kommt das im RAN-Projekt<br />
definierte Vokabular zum Einsatz. Durch die Anwahl<br />
einer Erfassungsklasse wird in der Mitte des Bildes die<br />
Liste der kürzlich an diesem Erfassungspunkt aufgezeichneten<br />
und über den InfoBroker übermittelten<br />
EPCIS-Events sowie gegebenenfalls die daraus abgeleiteten<br />
Störungen angezeigt. Nachdem eine Störung festgestellt<br />
wurde, lassen sich mittels der Registerkarte<br />
Überwachung detaillierte Informationen über die erwarteten<br />
Auswirkungen der Störung auf Leistungskennzahlen<br />
wie Bestand oder Auslastung abrufen. Eventuelle<br />
Umplanungen der Produktionsaufträge werden auf der<br />
rechten Seite der Oberfläche dargestellt.<br />
Die Identifikation einer Störung, wie sie die Systemmeldung<br />
an den PAS-Benutzer in Bild 6 anzeigt, basiert auf<br />
einer definierten, statischen Regelbasis, die kontinuierlich<br />
Datenströme unter Verwendung der Complex-Event-Processing-Komponente<br />
namens Drools Fusion auf Muster<br />
untersucht (vergleiche [18]). Im Bild 7 sind zwei Beispiele<br />
<strong>für</strong> solche Störungserkennungsregeln beschrieben: Ein<br />
ChangeInSequence-Ereignis wird erkannt, wenn zwei<br />
Objekte an aufeinanderfolgenden Lokationen der Lieferkette<br />
in einer unterschiedlichen Reihenfolge beobachtet<br />
werden. Unter Verwendung zusätzlicher Plandaten können<br />
auf Basis des ChangeInSequence-Ereignis wiederum spe-<br />
BILD 3: Vorhandene und neu entwickelte Konnektoren zur<br />
Datenintegration.<br />
BILD 4: Datenbedarf nach Ablaufplan des PAS<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012<br />
41
HAUPTBEITRAG<br />
zifischere Ereignisse wie MaterialOutOfSequence-Ereignisse<br />
oder OrderOutOfSequence-Ereignisse erkannt werden.<br />
Um die Pflege der Regelbasis zu erleichtern und eine<br />
einfachere Anpassung des PAS an firmenspezifische Gegebenheiten<br />
zu unterstützen, sind die jeweiligen Regeln in<br />
anwendungsspezifischen Modulen beispielsweise <strong>für</strong> Auftrags-<br />
oder Materialmanagement angeordnet (siehe Bild 7).<br />
Aufgrund der frühzeitigen Identifikation von Störungen<br />
sind die betroffenen Produktionsaufträge vom MES noch<br />
nicht freigegeben und es ist trotz einzuhaltender Maschinenrüstzeiten<br />
gegebenenfalls Schlupf <strong>für</strong> Umplanungen<br />
vorhanden. Die anschließende Bestimmung der Gegenmaßnahmen<br />
im PAS wird durch eine Analyse der Performanz<br />
der Produktionsanlage unterstützt (Registerkarte<br />
Überwachung in Bild 6).<br />
Die Effektivität des PAS wurde anhand von Simulationen<br />
<strong>für</strong> verschiedene Szenarien untersucht. Es wurden<br />
Verbesserungspotenziale durch ein PAS <strong>für</strong> die lokale<br />
Produktion [18] und <strong>für</strong> die gesamte Lieferkette [19]<br />
ermittelt.<br />
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK<br />
Im Beitrag wurde beschrieben, wie sich ein Produktionsassistenzsystem<br />
realisieren lässt, um Produktionspro-<br />
BILD 5: Prototypischer Aufbau in der SmartAutomation-Anlage Nürnberg<br />
42<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
zesse gegen Zulieferstörungen abzusichern. Die Verwendung<br />
von Echtzeit-Objektverfolgungsdaten auf MES-Ebene<br />
ermöglicht die Durchführung kurzfristiger Gegenmaßnahmen<br />
in der Produktion und somit eine effektive<br />
Behandlung von logistischen Störungen ohne auf eine<br />
teure Notfalllogistik zurückgreifen zu müssen. Das Produktionsassistenzsystem<br />
wurde auf Basis des MES<br />
Simatic IT prototypisch umgesetzt und unter Verwendung<br />
der SmartAutomation-Forschungsanlage in Nürnberg<br />
evaluiert. Dazu wurde diese mit drei zusätzlichen<br />
RFID-Erfassungsklassen sowie einem InfoBroker erweitert.<br />
Erste Ergebnisse zeigen, dass das eingesetzte PAS<br />
erfolgreich zur Absicherung einer Produktion gegen<br />
Lieferverspätungen und falsche Anliefersequenzen eingesetzt<br />
werden kann.<br />
Die zukünftigen Arbeiten zielen darauf ab, die Assistenzfunktionalität<br />
des PAS zu erweitern. So sollen zum<br />
Beispiel neben Verspätungen und Sequenzverletzungen<br />
weitere Störungsarten adressiert werden. Zudem sollen<br />
Prognoseunsicherheiten durch einen wahrscheinlichkeitsbasierten<br />
Ansatz sowie komplexere Zuliefernetzwerke<br />
mit einer Vielzahl paralleler JIS-Anlieferungen<br />
berücksichtig werden.<br />
MANUSKRIPTEINGANG<br />
30.04.2012<br />
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />
BILD 6: Benutzeroberfläche des prototypischen Assistenzsystems<br />
BILD 7: Modularer Aufbau<br />
der PAS Regelbasis<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012<br />
43
HAUPTBEITRAG<br />
REFERENZEN<br />
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(EPCIS).<br />
September 2007<br />
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März 2003<br />
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Production Economics 103(2) ,<br />
451 488, 2006<br />
[4] Thun, J.-H., und Hoenig, D.: An empirical<br />
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in the German automotive industry.<br />
International Journal of Production<br />
Economics 131(1),<br />
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Analytical Framework for the Management<br />
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Engineering 4(2), 265 273, 2007<br />
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based on a reference model for<br />
predicting disruptive events in a supply<br />
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499, 2012<br />
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KPMG Consulting AG, Düsseldorf 2002<br />
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Fischer, R.: Stand und Entwicklung des<br />
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Lehrstuhl <strong>für</strong> Fördertechnik, Materialfluss,<br />
Logistik, Technische Universität<br />
München, München 2010<br />
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Günther, O.: EPCIS-based Supply Chain<br />
Event Management. In: Xhafa, F., Barolli,<br />
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Intelligent Systems and Their Applications,<br />
S. 43 – 68, Springer 2010<br />
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[11] Liu, R., Kumar, A., van der Aalst, W.:<br />
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Reactive, model-based monitoring in<br />
RFID-enabled manufacturing. Computers<br />
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[13] Luckham, D.: The Power of Events: An<br />
Introduction to Complex Event Processing<br />
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Addision Wesley, Boston 2002<br />
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(LLRP) Standard. Oktober 2010<br />
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Scharnagl, J., Jordan, L.:<br />
Event-based reactive production<br />
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In: Proceedings IFAC World Congress<br />
2011, S. 2722 – 2730. IFAC, 2011<br />
[19] Reinhart, G., Genc, E., Hauptvogel, A.,<br />
Heinecke, G., Lamparter, S., Ostgathe, M.:<br />
Absicherung von Produktions- und<br />
Logistikprozessen in komplexen automobilen<br />
Wertschöpfungsnethwerken.<br />
zwf – Zeitschrift <strong>für</strong> wirtschaftlichen<br />
Fabrikbetrieb 12/2011, S. 963 – 968, 2011<br />
AUTOREN<br />
Dr.-Ing. RAFFAELLO LEPRATTI (geb.<br />
1976) ist Leiter Account Management<br />
Automotive <strong>für</strong> die Überseeländer und<br />
Projektleiter RAN bei der Siemens AG,<br />
Sektor Industry.<br />
Siemens AG, Industry Automation,<br />
Gleiwitzer Straße 555, D-90475 Nürnberg,<br />
Tel. +49 (0) 911 8 95 38 89,<br />
E-Mail: raffaello.lepratti@siemens.com<br />
Dr. STEFFEN LAMPARTER (geb. 1977)<br />
ist Research Scientist und Projektleiter<br />
bei der Siemens AG im Technologiefeld<br />
Business Analytics & Monitoring<br />
der zentralen Forschungsabteilung<br />
Corporate Technology.<br />
Siemens AG, Corporate Technology,<br />
Otto-Hahn-Ring 6, D-81739 München,<br />
Tel. +49 (0) 89 63 64 03 83,<br />
E-Mail: steffen.lamparter@siemens.com<br />
Dipl.-Wirtsch.-Ing. GEORG HEINECKE,<br />
M.Sc. (geb. 1984) ist Doktorand bei der<br />
Corporate Technology der Siemens AG<br />
und dem Institut <strong>für</strong> Werkzeugmaschinen<br />
und Fertigung der ETH Zürich.<br />
Sein Forschungsinteresse gilt dem<br />
Supply Chain Event Management<br />
Konzept im Rahmen von Produktionsassistenzsystemen.<br />
Siemens AG, Corporate Technology,<br />
Otto-Hahn-Ring 6, D-81739 München,<br />
Tel. +49 (0) 911 8 95 22 75,<br />
E-Mail: georg.heinecke.ext@siemens.com<br />
Dipl.-Ing. (FH) JOACHIM SCHARNAGL<br />
(geb. 1970) ist Entwicklungsingenieur<br />
und Projektleiter in der Vorfeldentwicklung<br />
des Sektors Industry der<br />
Siemens AG. Hauptthemengebiete sind<br />
hochverfügbare (Leit-)Systeme und<br />
Intrinsic Identity (unter anderem RFID).<br />
Siemens AG, Industry Automation,<br />
Gleiwitzer Straße 555, D-90475 Nürnberg,<br />
Tel. +49 (0) 911 8 95 48 70,<br />
E-Mail: joachim.scharnagl@siemens.com<br />
Dipl.-Ing. Elektrotechnik (TH) RALF<br />
HANSEN, (geb. 1955) Projektleiter <strong>für</strong><br />
Manufacturing Execution Systeme<br />
(MES) der Siemens AG im Industriebereich.<br />
Sein Forschungsinteresse liegt<br />
in der Betrachtung der Wechselwirkung<br />
der Lieferkette <strong>für</strong> die Optimierung<br />
der Produktionssteuerung im<br />
Shopfloor-Bereich.<br />
Siemens AG, Industry Automation,<br />
Gleiwitzer Straße 555, D-90475 Nürnberg,<br />
Tel. +49 (0) 911 8 95 35 04,<br />
E-Mail: ralf.hansen@siemens.com<br />
44<br />
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45<br />
dass ich vom<br />
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die Zukunft jederzeit widerrufen.<br />
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Kontonummer
HAUPTBEITRAG<br />
Effizientes Testen heterogener<br />
Leitsystemkonfigurationen<br />
Integration gewerkeübergreifender Hardware-Emulatoren<br />
Die Simulation als Mittel zum Testen der Leitsystem-Konfiguration hat sich über die<br />
letzten Jahre etabliert. Aufgrund des hohen manuellen Aufwands fokussieren simulationsbasierte<br />
Testmethoden meist auf den funktionalen Bereich, wobei ausschließlich die<br />
Steuerungslogik, nicht aber die Konfiguration der Subsysteme getestet wird. Der Beitrag<br />
stellt eine Methode vor, mit der die Vorteile simulationsbasierter Tests um die Möglichkeiten<br />
aktueller Hardware-Emulatoren erweitert werden. Hierzu wird ein Framework<br />
präsentiert, welches die <strong>für</strong> einen Subsystemtest notwendigen Emulatoren integriert und<br />
automatisch konfiguriert.<br />
SCHLAGWÖRTER Emulation / Subsystemtest / Virtuelles Framework<br />
Virtual Emulator Framework –<br />
Domain independent Integration of Emulators<br />
During the past several years, simulation has been established for testing process control<br />
system configuration. Because of the high manual effort for the development of simulation<br />
models, those usually focus on the functional area, whereas only the correctness of the<br />
central control logic, but not the configuration of the subsystems is tested. This contribution<br />
presents a method that extends the advantages of simulation by the possibility to use<br />
modern hardware emulation, as well. Thus, a framework is presented that integrates and<br />
automatically configures control system- and subsystem emulators in order to be able to<br />
perform comprehensive tests of automation systems.<br />
KEYWORDS Emulation / subsystem test / virtual framework<br />
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<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
MARIO HOERNICKE, JÜRGEN GREIFENEDER, MIKE BARTH, ABB Forschungszentrum<br />
Die Phase des Testens gewinnt im Engineering<br />
von Automatisierungssystemen (AT-System)<br />
<strong>für</strong> Anlagen der Prozessindustrie zunehmend<br />
an Bedeutung. Je komplexer die Anlagen werden,<br />
desto umfangreichere Tests sind nötig, um<br />
die korrekte Funktion des AT-Systems im Sinne der Kundenspezifikation<br />
zu über prüfen. Angelehnt an die Testprozeduren<br />
von Software-Applikationen beinhaltet das<br />
Engineering eines Prozessleitsystems (PLS) mehrere<br />
Prüfschritte. Je nach Implementierungsfortschritt werden<br />
Verriegelungen, Schrittketten, Grenzwerte (<strong>für</strong><br />
Schaltungen, Alarme und Meldungen), sowie Wirkrichtungen<br />
von Reglern daraufhin überprüft, ob sie den Spezifikationen<br />
entsprechen. Die Ingenieure stehen vor der<br />
Herausforderung, dass die <strong>für</strong> den Factory Acceptance<br />
Test (FAT) zur Verfügung stehende Zeit immer kürzer<br />
wird [1], wohingegen die Anzahl und Komplexität der<br />
durchzuführenden Tests aufgrund des zunehmenden<br />
Funktionsumfangs der Prozessanlage und damit auch<br />
des AT-Systems stetig zunehmen. Des Weiteren erhöht<br />
die geografische Ver teilung der am Engineering beteiligten<br />
Ingenieure die Signifikanz des FAT als finale Integration<br />
und Qualitätssicherung des AT-Systems.<br />
Der FAT wird jedoch durch das Fehlen von realen AT-<br />
Komponenten (zum Beispiel Feldbuskomponenten) im<br />
Prüffeld erschwert. Insbesondere Peripherie-Komponenten<br />
werden aus logistischen Gründen oftmals direkt zur<br />
Anlage versandt. Das Prüffeld besteht daher in der Regel<br />
aus Beispiel-Hardware-Komponenten, welche nur den<br />
Test von Teilsystemen erlauben [2]. Um das AT-System<br />
während des FAT dennoch so weit als möglich testen zu<br />
können, werden zunehmend Methoden der virtuellen<br />
Inbetriebnahme [3] eingesetzt. Dazu wird der zu automatisierende<br />
Prozess mittels geeigneter Werkzeuge<br />
simuliert. Die Steuerungsprogramme laufen dabei<br />
entweder auf der realen Hardware oder auf emulierten<br />
Steuerungen (Soft-SPS). Mit einer Soft-SPS lässt sich die<br />
Steuerungslogik auch ohne das Vorhandensein realer<br />
Hardware testen [4].<br />
Um bei simulationsbasierten Tests nicht ausschließlich<br />
auf den funktionalen Bereich zu fokussieren, werden<br />
Emulatoren <strong>für</strong> die projektierten Subsysteme sowie<br />
deren Peripherie eingesetzt. Oft ist es die Peripherie des<br />
AT-Systems, welche den größten Aufwand im Rahmen<br />
der Testphasen – insbesondere während des FAT –<br />
erzeugt. Wie in Bild 1 dargestellt, existieren Emulatoren<br />
<strong>für</strong> einfachere E/A-Applikationen (E/A-Emulator) bis<br />
hin zu komplexen Emulatoren <strong>für</strong> Feldbussysteme. Beispiele<br />
sind Emulatoren <strong>für</strong> elektrische Verteilsysteme [5]<br />
auf Basis des IEC 61850-Standards [6] beziehungsweise<br />
Emulatoren <strong>für</strong> eine auf Foundation Fieldbus (FF)<br />
basierende dezentrale Steuerungslogik [7].<br />
Da die Steuerungslogik zunehmend auf intelligente<br />
Feldgeräte verteilt wird [8], bedeutet der Einsatz von<br />
Hardware-Emulatoren <strong>für</strong> den Test des AT-Systems einen<br />
wichtigen Schritt in Richtung einer höheren Testabdeckung.<br />
In Anlehnung an [9] unterscheiden die Autoren<br />
dabei zwischen dem Einsatz von Emulation und Simulation.<br />
Emulation beschreibt die Abarbeitung einer Software<br />
auf einem Fremdsystem. Dabei muss sichergestellt<br />
sein, dass das Verhalten nach außen dem des Originalsystems<br />
entspricht. Auf ein AT-System übertragen<br />
bedeutet dies, dass ein Steuerungsprogramm beispielsweise<br />
nicht auf der realen SPS abgearbeitet wird, sondern<br />
auf einer Soft-SPS, welche die reale SPS emuliert. Diese<br />
Form wird dahingehend auch als Hardware-Emulation<br />
bezeichnet.<br />
Simulation beschreibt hingegen nach [10] „ein Verfahren<br />
zur Nachbildung eines Systems mit seinen dynamischen<br />
Prozessen in einem experimentellen Modell …“.<br />
Wiederum auf den Bereich der Automatisierungstechnik<br />
übertragen, wird Simulation überwiegend <strong>für</strong> die Nachbildung<br />
der zu steuernden/regelnden Anlage eingesetzt.<br />
Wie in Bild 1 dargestellt, berücksichtigt der in diesem<br />
Beitrag vorgestellte Ansatz nicht ausschließlich Soft-<br />
SPS-Emulatoren sondern darüber hinaus den Einsatz<br />
von komplexeren Hardware-Emulatoren <strong>für</strong> unterschiedliche<br />
Bussysteme. Die darüber hinausgehende Notwendigkeit<br />
der Prozesssimulation wird in [11] und [12]<br />
beschrieben.<br />
Trotz der erhöhten Testabdeckung werden HW-Emulatoren<br />
bislang nur in begrenztem Umfang verwendet.<br />
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HAUPTBEITRAG<br />
<br />
Koppler-<br />
Emulation<br />
Steuerungs Netzwerk<br />
BILD 1: Virtuelle Hardware-in-the-Loop-Testumgebung<br />
In Erweiterung der zuvor getroffenen Definitionen umfasst<br />
die Emulationstechnologie nach [9] die Nachbildung<br />
des Verhaltens eines Geräts mittels eines anderen<br />
Geräts oder einer Software. Dieser Ansatz wird in unterschiedlichen<br />
Gewerken verwendet, um Systemtests (zum<br />
Beispiel Funktions- und Integrations tests) durchführen<br />
zu können, bevor die realen Hardwarekomponenten zur<br />
Verfügung stehen. Zusätzlich werden Emulatoren <strong>für</strong><br />
Feldbus-Systeme eingesetzt, um die Logik [7] sowie das<br />
zeitliche Verhalten des Busses [14] realitätsnah zu testen.<br />
Die wachsende Vielfalt an Emulatoren erschwert<br />
jedoch deren effizienten Einsatz, da jeder Emulator individuell<br />
konfiguriert, parametriert und initialisiert<br />
werden muss. Bei großen Systemen mit verschiedenen<br />
Subsystemen und komplexer Peripherie müssen die<br />
Emulatoren exakt aufeinander ab ge stimmt sein. Oftmals<br />
entsteht durch die Konfiguration und Verknüpfung der<br />
Emulatoren ein Netzwerk, welches dem Komplexitätsniveau<br />
des realen AT-Systems nahekommt und in<br />
einem deutlichen Mehr aufwand, im Vergleich zum<br />
Teilsystemtest, <strong>für</strong> den FAT resultiert.<br />
Dabei ist der <strong>für</strong> die Ausführung der Emulation notwendige<br />
Aufwand zur Konfiguration der IT-Infra struktur<br />
noch nicht berücksichtigt: Die meisten Emulatoren benötigen<br />
eine separate Ether net-Schnitt stelle mit einer auf<br />
den Emulator abgestimmten IP-Adresse. Einige Emulato<br />
ren sind zudem nicht multiinstanzfähig, weshalb mehrere<br />
Instanzen des gleichen Typs auf verschiedenen<br />
Rechnern verteilt emuliert werden müssen. Der hier<strong>für</strong><br />
notwendige manuelle Aufwand ist beträchtlich.<br />
BILD 2: Funktionsweise eines Emulators<br />
z.B.:<br />
• SoftSPS<br />
• FF-Emulation<br />
• E/A-Emulation<br />
Begründet wird dies durch den hohen manuellen Aufwand<br />
zur Parametrierung und Konfiguration der Emulatoren.<br />
Des Weiteren wird ein beträchtlicher Aufwand<br />
<strong>für</strong> Bereitstellung, Administration und Konfiguration<br />
der benötigten IT-Infrastruktur notwendig. Um eine einheitliche<br />
und automatisierte Konfiguration – bestehend<br />
aus Emulatoren und umgebender IT-Infrastruktur – zu ermöglichen,<br />
wird das Konzept eines virtuellen Emulator<br />
Frameworks (VEF) vorgestellt.<br />
1. EMULATOREN IN DER AUTOMATISIERUNGSTECHNIK<br />
1.1 Konfiguration am Beispiel von FF<br />
Die Funktionsweise von Emulatoren <strong>für</strong> AT-Komponenten<br />
basiert auf immer gleichen Prinzipien. Zunächst<br />
muss der Emulator die Konfi guration der zu emulierenden<br />
realen Komponente kennen. Dazu wird eine<br />
Konfi guration benötigt, welche auf eine der beiden nachfolgend<br />
beschriebenen Möglichkeiten aufgesetzt werden<br />
kann.<br />
1 | Die Konfiguration eines einzelnen Geräts, zum Beispiel<br />
einer SPS, kann mittels eines Downloads der<br />
Applikation auf die Soft-SPS durchgeführt werden.<br />
Diese Variante wird dann eingesetzt, wenn ein<br />
separates Gerät durch eine Instanz des Emula tors<br />
emuliert wird. Die Konfiguration basiert dabei auf<br />
den gleichen Kommunikationsprotokollen wie beim<br />
realen System.<br />
2 | Eine Datei wird auf Basis von Daten des Engineering-Werkzeuges<br />
erzeugt und zur Konfiguration<br />
des Emulators verwendet. Diese Möglichkeit wird<br />
zur Konfiguration von Subsys temen verwendet,<br />
deren Topologie dem Emulator vor der Konfiguration<br />
nicht bekannt ist.<br />
Ein Beispiel <strong>für</strong> einen Emulator mit dateibasierter<br />
Konfiguration ist der FF-Emulator nach [7]. Da eine<br />
FF-Lösung üblicher weise aus mehreren voneinander<br />
ge trennten Subnetzen besteht, muss zunächst der Emulationsrahmen<br />
festgelegt werden. Der hier<strong>für</strong> referenzierte<br />
Emulator ist in der Lage, in einer Instanz ein<br />
Subnetz zu emulieren. Dies bedeutet, dass der Nutzer<br />
zunächst das zu emulierende Subnetz auswählen muss.<br />
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<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
Als nächstes wird die Konfiguration des ausgewählten<br />
Subnetzes benötigt. Hier<strong>für</strong> wird eine Schnittstelle verwendet,<br />
wel che auf die Daten des Engi neering -Werkzeugs<br />
zugreift und diese in ein dateibasiertes Zwischenformat<br />
expor tiert, welches sich problemlos auf andere Rechner<br />
übertragen lässt.<br />
Da FF ein ethernetbasierter Feldbus ist, muss <strong>für</strong> jedes<br />
zu emulie rende Subnetz eine Ethernet-Schnitt stelle am<br />
Emulations-PC verfügbar sein oder gegebenenfalls nachgerüstet<br />
werden. Damit eine Verbindung zum umgebenden<br />
Leitsystem hergestellt werden kann, muss diese Ethernet-<br />
Schnittstelle konfi gu riert werden (IP-Adresse, Subnetz-<br />
Maske und eventuell Gateway). Nun kann der Emulator<br />
gestartet und die zuvor erzeugte Konfigurationsdatei geladen<br />
werden. Die Konfiguration von weiteren Emulatoren<br />
wird analog zu der beschriebenen Vorge hensweise durchgeführt.<br />
Für die Emulation des gesam ten AT-Systems müs sen<br />
die Emulator-Instanzen auf ent sprechend unterschiedliche<br />
Rechner verteilt, die benö tigte Hardware ge -<br />
gebenen falls nach ge rüstet sowie die Hardware und der<br />
Emulator selbst konfiguriert werden. Das in diesem<br />
Beitrag vorgestellte VEF verfolgt die Automa ti sie rung<br />
des beschriebenen Vorgehens.<br />
1.2 Orchestrierung<br />
Nachdem die Emulation initialisiert wurde, liest der<br />
Emulator, wie in Bild 2 gezeigt, die an sein Sub system<br />
gesendeten Eingangswerte ein, führt die Logik der zu<br />
emulierenden Komponente aus und schreibt die berechneten<br />
Ausgangswerte zurück an die übergeordnete AT-<br />
Komponente. Zur Kom muni ka tion der Ein- und Ausgangswerte<br />
werden die spezifischen Protokolle (zum<br />
Beispiel Profibus) der zu emulierenden Komponente<br />
verwendet.<br />
Einige Emulatoren stellen zusätzliche Steuerungsfunktionen<br />
zur Verfü gung. Neben den Basisfunktionen<br />
Start und Stopp, kann der Nutzer aktuelle Zustände<br />
einfrieren, spei chern und diese zu einem späteren<br />
Zeitpunkt wieder her stellen. In diesem Zusammenhang<br />
umfasst ein weiteres Ziel des VEF die Vereinheitlichung<br />
der notwendigen (Fern-) Orchestrierung der Emulatoren<br />
durch ein einheitliches Bedienkonzept. Da die Struktur<br />
verschiedener Emula toren auf ähnlichen Prinzipien<br />
beruht, liegt es nahe, ein Konzept zur Abstrak tion<br />
der beschriebenen Funktionalität zu entwerfen. Diese<br />
Abstraktion kann als Schnittstelle dienen und die<br />
Konfiguration und die zeitgleiche Steuerung mehrerer<br />
Emulator-Instanzen ermöglichen.<br />
1.3 Anforderungen an das VEF<br />
Das VEF soll die Administration der Rechnerinfrastruktur<br />
sowie den Entwurf der Emulation vereinfachen und<br />
automatisieren. Basie rend auf dem zu er zielenden Nutzen,<br />
lassen sich vier grund legende Anforderungen an das<br />
VEF bezüglich dessen Nutzung und Admini s tration<br />
formulieren.<br />
1 | Automatische Konfiguration der Emulatoren<br />
Jeder Emulator benötigt die Konfiguration der zu<br />
emulierenden Komponente. Das VEF muss in der<br />
Lage sein, diese Konfi gu ration – mithilfe des integrierten<br />
Emulators – auto ma tisch zu erzeugen und<br />
dem Emu lator bekannt zu geben.<br />
2 | Automatische Konfiguration der IT-Infrastruktur<br />
Die IT-Infrastruktur muss auf die auszuführenden<br />
Emulatoren abgestimmt und entsprechend skalierbar<br />
sein, damit die benötigten Ressourcen automatisch<br />
bereitgestellt und die notwendige Konfiguration<br />
automatisiert durchgeführt werden kann.<br />
3 | Einheitliches Bedienkonzept<br />
Die Bedienoberfläche soll unabhängig von den<br />
inte grier ten Emu la toren sein. Ein einheitliches<br />
Bedienkonzept muss angestrebt werden.<br />
4 | Keine Änderungen der Onlinekommunikation der<br />
Emulatoren<br />
Für die Gültigkeit des FAT ist es von entscheidender<br />
Bedeutung, dass die Kommunikations proto kolle<br />
der Emulatoren nicht beeinflusst oder verändert<br />
werden, da diese spezifisch auf die verwendeten<br />
Engineering-Werkzeuge und das zu emulierende<br />
System abge stimmt sind. Eine Vereinheitlichung<br />
der Kommunikation zur Laufzeit ist unzuläs sig.<br />
2. GENERIERUNG EINER EMULATION<br />
Wie in Abschnitt 1 erläutert, besteht die Grundidee des<br />
VEF darin, unterschiedliche Emula to ren in einer virtuellen<br />
Umgebung zu integrieren. Als Basis werden<br />
bestehende Virtualisierungstechnologien eingesetzt, da<br />
diese eine frei konfigurierbare Zusammen stellung des<br />
virtualisierten Hardware-Systems (wie Ethernet-Karte,<br />
Speicher) erlauben. Auf sich ändernde Hardware-<br />
Anforderungen kann flexibel reagiert werden, ohne<br />
neue reale Komponenten integrieren zu müssen. Die<br />
Umgebung ist flexibel skalierbar und weitgehend unabhängig<br />
von den Emulationsrechnern.<br />
2.1 Parametrierung des VEF<br />
Das VEF-Konzept sieht die automatische Generierung<br />
von virtuellen Maschinen (VM) und darin die automatische<br />
Instanziierung von Emulatoren vor. Die VM<br />
können im Anschluss an deren Generierung auf unterschiedliche<br />
real vorhan de ne PCs verteilt und ausgeführt<br />
werden. Ein im Rahmen des VEF ent wickeltes Werkzeug<br />
übernimmt die Verteilung und die Steuerung der VM<br />
beziehungsweise der Emulator-Instanzen. Damit eine<br />
automatische Generierung der Emulation erfolgen kann,<br />
wird einmalig, wie in Bild 3 dargestellt, ein Muster einer<br />
VM aufgesetzt, auf welchem die unter schied lichen<br />
Emulatoren installiert sind. Die Installation ist dabei<br />
genauso auszuführen wie auf einem realen PC.<br />
Das vorbereitete Muster bietet den Vorteil, dass es beliebig<br />
vervielfältigt werden kann. Dadurch lässt sich die<br />
virtuelle Hardware automatisch verändern und auf die<br />
Bedürf nisse der jeweiligen Emulator-Instanz anpassen.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
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HAUPTBEITRAG<br />
E/A<br />
Emulator<br />
Export der<br />
Topologie<br />
Auswahl der zu<br />
emulierenden Objekte und<br />
Export der Konfiguration<br />
BILD 3: Template einer VM mit Emulatoren<br />
BILD 4: Export der AT-Topologie und Auswahl der zu<br />
emulie ren den Objekte<br />
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BILD 5: Software-Struktur des VEF<br />
BILD 6: Topologie des AT-Systems<br />
Eine Anpassung der externen Schnittstellen des realen<br />
PCs ist üblicherweise nicht nötig. Zusätzlich zur Installation<br />
auf dem Muster muss der Emulator die nachfolgend<br />
beschriebenen, von der spezifischen Konfiguration des<br />
Emulators unabhängigen Konfi gu ra tions parameter bereitstellen.<br />
1 | Anzahl der Ethernet-Schnittstellen: Nahezu jeder<br />
Emulator benötigt mindestens eine Ethernet-<br />
Schnittstelle. Mehrere Schnittstellen werden dann<br />
benötigt, wenn der Emulator mit einem Client-<br />
Server-Netz werk des Leitsystems und einem FF-<br />
Netz werk verbunden ist.<br />
2 | Da Emulatoren instanziiert werden, welche lediglich<br />
in einer begrenzten Anzahl auf einem Rechner<br />
ausführbar sind, ist die Angabe dieser Begren zung<br />
notwendig.<br />
3 | Einige Emulatoren können mehrere Instanzen eines<br />
Subsystems ausführen. Diese Anzahl muss dem<br />
VEF bekannt sein.<br />
4 | Hinzu kommt ein Parameter <strong>für</strong> den benötigten<br />
Arbeitsspeicher. Wie bei jeder MS-Windows-Applikation<br />
ist es <strong>für</strong> den Emulator wichtig, zu wissen,<br />
wie viel Arbeitsspeicher pro Instanz benötigt wird.<br />
5 | Zur Identifikation eines emulierbaren Subsystems<br />
wird der zugehörige Objekttyp (zum Beispiel HSE-<br />
Subnetz <strong>für</strong> FF) benötigt. Auf Basis des Typs können<br />
die emulierbaren Systeme bestimmt werden.<br />
Insbesondere bei der Emulation von Feldbussen werden<br />
die Anzahl der benötigten IP-Adressen pro Instanz sowie<br />
deren Adresswerte benötigt, da diese automatisch konfiguriert<br />
werden sollen. Letztere variieren mit der zu<br />
emulierenden Instanz und müssen dement sprech end aus<br />
den Konfigurationsdaten des Subsystems bezogen werden.<br />
Die Werte der erläuterten Konfigurationsparameter sind<br />
<strong>für</strong> jeden Emulator unterschiedlich und müssen daher<br />
bei der Integration des Emulators einmalig (mit Ausnahme<br />
der IP-Adresse) konfiguriert und bekannt gegeben<br />
werden.<br />
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<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
2.2 Algorithmus zur Generierung der Emulation<br />
Um die benötigten VM zu generieren und die Emulatoren<br />
darin zu instanzi ieren wurde ein mehrstufiger Algorithmus<br />
entwickelt. Jede Stufe benötigt dabei Informationen<br />
des jeweils vorangehenden Schrittes. So können die VM<br />
beispielsweise erst dann erzeugt werden, wenn deren<br />
benötigte Anzahl berechnet wurde.<br />
Zunächst muss die Topologie des AT-Systems aus dem<br />
Engineering-System des Leitsystems expor tiert werden.<br />
Die im Leitsystem modellierte Topologie enthält die AT-<br />
Komponen ten, zum Beispiel die verwendeten Steuerungen.<br />
Da die emulierbaren Objekte aufgrund des Objekttyps der<br />
Emulatoren identifiziert werden, kann diese Information<br />
dem VEF bereits hier bekannt gegeben werden.<br />
Während des FAT werden in der Regel Teilsysteme<br />
emuliert und getestet. Die Auswahl, welcher Teil getestet<br />
werden soll, kann der Nutzer mit dem in Bild 4 dargestellten<br />
Auswahldialog treffen. Dieser Auswahl entsprechend<br />
werden die Konfigurationsdateien <strong>für</strong> alle<br />
ausgewählten Objekte automatisch erzeugt. Die Dateien<br />
werden später benötigt, um die Emulator-Instanzen automatisch<br />
zu konfigu rieren.<br />
Auf Basis der ausgewählten Objekte lässt sich die Anzahl<br />
der benötigten VM unter Berücksichtigung folgender<br />
Regeln errechnen:<br />
Die maximale Anzahl ausführbarer Instanzen eines<br />
Emulators pro PC darf <strong>für</strong> keine der VM überschritten<br />
werden.<br />
Die VM haben abhängig von der verwendeten<br />
Virtualisierungsumge bung nur eine eingeschränkte<br />
Anzahl Ethernet-Schnittstellen zur Verfügung, die<br />
nicht überschritten werden darf.<br />
Die Anzahl gleichzeitig emulierbarer Objekte pro<br />
Instanz eines Emulators darf <strong>für</strong> keine Instanz überschritten<br />
werden.<br />
Der maximal verfügbare reale Arbeitsspeicher darf <strong>für</strong><br />
keinen Emulationsrechner über schritten werden. Dies<br />
bedeutet, dass die Summe des <strong>für</strong> die VM eines PCs<br />
allokierten Speichers kleiner sein muss als der reale<br />
Speicher des PCs.<br />
Da mit jeder zusätzlichen VM der Overhead <strong>für</strong> das<br />
Betriebs system und die Virtualisie rungs software steigt<br />
und <strong>für</strong> jede Betriebssystem-Instanz separate Lizenzen<br />
benötigt werden, wird empfohlen, stets die minimal notwendige<br />
Anzahl zu verwen den.<br />
Nachdem die benötigte Anzahl an VM festgelegt und auf<br />
Basis des Musters erstellt wurde, muss die virtuelle Hardware<br />
entsprechend der Emulatoren, die in den VM ausgeführt<br />
werden sollen, konfiguriert werden. Die spezifischen<br />
VM enthalten anschließend die benötigte Hardware-Konfiguration<br />
sowie die emulatorspezifischen IP-Adressen.<br />
Hierdurch verhalten sie sich nach ihrem Start wie ein<br />
Emulations-Rechner, welcher auf die Emulatoren abgestimmt<br />
wurde. Im Anschluss an die Generie rung der VM<br />
werden diese auf die Emulations-Rechner verteilt und dort<br />
gestartet. Die Konfiguration der Hardware ist damit beendet,<br />
worauf aufbauend die Da teien <strong>für</strong> die Konfiguration<br />
der generierten Emulator-Instanzen geladen werden.<br />
2.3 Technische Umsetzung<br />
Der beschriebene Algorithmus wird anhand einer<br />
Implementierung <strong>für</strong> das PLS-Engineering-Werkzeug<br />
System800xA erläutert. Als Emulatoren werden eine<br />
AC800M Soft-SPS sowie ein ABB SoftFF (FF-Emulator)<br />
in das VEF integriert.<br />
Da System800xA eine verteilte Architektur aufweist<br />
und eine Realisierung des VEF mit Fokus auf komplexe<br />
ressourcenintensive Emulationen das Ziel ist, wird <strong>für</strong><br />
das VEF ebenfalls eine verteilte Architektur gewählt. Als<br />
Basis <strong>für</strong> die Kommunikationsschnittstelle wird TCP/IP<br />
(beziehungsweise Ethernet) verwendet und auf der Windows<br />
Communication Foundation (WCF) [15] aufgebaut.<br />
Grundsätzlich müssen <strong>für</strong> die Realisierung des VEF<br />
verschiedene PCs (im Folgenden als Knoten bezeichnet)<br />
betrachtet werden. Die Knoten stellen Funktionalitäten<br />
<strong>für</strong> die Konfigu ration und Ausführung der VM und der<br />
Emulatoren bereit.<br />
In System800xA werden dedizierte Engineering-<br />
Knoten verwendet, um das Engineering von der Laufzeit<br />
des PLS zu entkoppeln. Diese Knoten stellen die Informationen<br />
über die Topologie des AT-Systems bereit. Alle<br />
Informationen über die Engineering-Daten eines jeden<br />
Knotens werden zentral in einer Datenbank zur Verfügung<br />
gestellt. Es wird dementsprechend eine Software<br />
benötigt, welche Zugriff auf diese Datenbasis hat und<br />
mittels WCF mit dem Rest des VEF kommunizieren<br />
kann. In Bild 5 wird diese Software mit Engineering-<br />
System-Zugriff beschrieben.<br />
Da aufwendige Emulationen üblicherweise hohe<br />
Anforderungen an die Hardware stellen, werden <strong>für</strong><br />
diese ebenfalls dedizierte und separate Knoten eingesetzt.<br />
Diese werden in der technischen Umsetzung<br />
nicht in Form von Standard-PCs realisiert, sondern als<br />
private VMware ESXi Cloud [16]. Die Administration<br />
und Steuerung der virtuellen Maschinen innerhalb der<br />
privaten Cloud wird mit VMware vSphere erreicht [16].<br />
vSphere bietet mit der VIX API (VIX Application Programming<br />
Interface, www.vmware.com) und vSphere<br />
CLI (vSphere Command Line Interface) Schnittstellen<br />
<strong>für</strong> die Administration und Steuerung der VM. Diese<br />
sind jedoch nur lokal zugreifbar und müssen deshalb<br />
durch eine Software auf diesem Knoten netzwerkfähig<br />
gemacht werden. In Bild 5 wird diese als Steuerung der<br />
virtuellen Maschinen beschrieben.<br />
Innerhalb der VM sollen die Emulator-Instanzen erzeugt,<br />
konfiguriert und gestartet werden, weshalb die in<br />
Bild 5 als Emulator-Manager bezeichnete Software notwendig<br />
ist. Zudem wird eine in Bild 5 als „Nutzer Front-<br />
End und Orchestrierung“ bezeichnete Nutzerschnitt stelle<br />
benötigt, welche sich auf einem beliebigen, sich innerhalb<br />
des PLS-Netzwerks befindlichen Knoten befinden kann<br />
und die einzige Stelle darstellt, an der ein manueller Zugriff<br />
auf die Konfiguration der Emulation erfolgen muss.<br />
Die beschriebene Architektur besteht aus drei Servern mit<br />
unterschiedlicher Funktionalität und einem Client, der<br />
die Server mittels WCF steuert. Der Steuerfluss ist immer<br />
in Richtung der Server, siehe Bild 5.<br />
Zusätzlich zum Steuerfluss wird ein Datenfluss zwischen<br />
dem Engineering-Knoten und den VM be nötigt.<br />
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HAUPTBEITRAG<br />
Die auf dem Engineering-Knoten erzeugten Konfigurationsdateien<br />
werden in den VM benötigt um die Emulatoren<br />
gemäß des in Abschnitt 2.1 beschriebenen Algorithmus<br />
zu konfigurieren. Um <strong>für</strong> einen späteren Einsatz des VEF<br />
in realen Anwendungen einen sicheren Datentransfer<br />
zwischen Engineering-PC und VM zu gewährleisten, wird<br />
empfohlen, den Datenaustausch über sichere Protokolle,<br />
wie zum Beispiel SSH (Secure Shell), durchzuführen.<br />
2.4 Anwendungsbeispiel<br />
Für die Ausführung des Algorithmus wird ein Beispiel<br />
verwendet, welches zwei verschiedene Emulatoren (Soft-<br />
FF [8] und Steuerungs-Emulation) benötigt. In Bild 6 sind<br />
die <strong>für</strong> dieses Beispiel verwendeten realen AT-Komponenten<br />
hervorgehoben und die <strong>für</strong> diese Anwendung<br />
benötigten Emulatoren dargestellt. Das AT-System besteht<br />
aus einer AC800M-Steuerung sowie einem FF-Subnetz.<br />
Zur Kommunikation wird ein FF-Koppler verwendet.<br />
Die hier<strong>für</strong> im FAT vorgesehenen Testfälle sind beispielsweise:<br />
Test der Reglerparameter<br />
Test der Signalankopplungen<br />
Test des Alarm- und Event-Verhaltens<br />
Test der Ein- und Ausgangsfilter von FF<br />
Test der Verriegelungen<br />
Test der Grenzwerte<br />
Für die Generierung der Emulation wird zunächst die<br />
Topologie des AT-Systems aus dem PLS-Engineering-<br />
Werkzeug exportiert. Hier<strong>für</strong> greift das Konfigurationswerkzeug<br />
auf den Engineering-System-Knoten zu und<br />
benutzt dessen Server-Software, um einen Export zu<br />
initialisieren. Das Konfigurationswerkzeug stellt die<br />
erhaltene Struktur dar (siehe Bild 7).<br />
Wie in Bild 7 dargestellt, wurden die Objekte „Controller_1“<br />
(AC800M) und „21_FFCIUseCase“ (FF-Subnetz)<br />
bereits ausgewählt und basierend auf der Typinformation<br />
automatisch den Emulator-Typen zugeordnet.<br />
Da <strong>für</strong> die technische Realisierung des Algorithmus<br />
eine EXSi Cloud als Laufzeitumgebung <strong>für</strong> die VM verwendet<br />
wurde, muss der Nutzer den Zugriff auf diese<br />
mittels Eingabe der URL einmalig konfigurieren. Anschließend<br />
wird die <strong>für</strong> das Anwendungsbeispiel benötigte<br />
VM aus dem Muster generiert, in die ESXi Cloud<br />
verschoben und dort konfiguriert.<br />
Für das Beispiel werden zwei Ethernet-Schnittstellen,<br />
64 MB Arbeitsspeicher <strong>für</strong> den Soft Controller und 96 MB<br />
Arbeitsspeicher <strong>für</strong> SoftFF benötigt. Die Schnittstellen und<br />
der Arbeitsspeicher werden mithilfe der VIX API automatisch<br />
hinzugefügt. Der Nutzer kann nun das Konfigurationswerkzeug<br />
anwenden, um die Emulation zu starten.<br />
Im Vergleich zur herkömmlichen Vorbereitung und<br />
Konfiguration einer Emulation werden lediglich zwei<br />
Nutzerinteraktionen benötigt: 1) die Auswahl der zu<br />
emulierenden Komponenten und 2) die Konfiguration<br />
des Zugriffs auf die ESXi Cloud. Hinzu kommt, dass<br />
beide Instanzen – obwohl diese von unterschiedlichen<br />
Emulator-Typen gebildet wurden – auf die gleiche Art<br />
und Weise konfiguriert werden, wodurch keine weiteren<br />
Software-Werkzeuge verwendet werden müssen. Auch<br />
die virtuelle Hardware wird, basierend auf den Parametern<br />
der Emulatoren, automatisch angepasst.<br />
2.5 Ressourcenbedarf und Anwendbarkeit des VEF<br />
Im beschriebenen Beispiel wird lediglich eine VM benötigt.<br />
Jedoch erlaubt es bereits diese Konfiguration, Aussagen zu<br />
den benötigten realen sowie virtuellen IT-Ressourcen zu<br />
treffen. Um diese Angaben auf eine fundierte Basis zu<br />
stellen, wurden Benchmarks durchgeführt, mithilfe derer<br />
der Ressourcenbedarf während der Laufzeit <strong>für</strong> unterschiedliche<br />
Konfigurationen ermittelt werden kann.<br />
Eine Konfiguration mit einer VM besteht nicht nur aus<br />
der VM, sondern aus der generierten VM und dem Muster.<br />
Das Muster wird <strong>für</strong> die Generierung nicht einfach kopiert;<br />
es werden Referenzen auf dieses gebildet, sodass die<br />
generierte VM ausschließlich den ergänzenden Speicherbedarf<br />
<strong>für</strong> die Konfigurationsdaten benötigt. Das Referenzieren<br />
auf das Muster stellt kein Problem <strong>für</strong> die Emulation<br />
dar, da diese im Arbeitsspeicher ausgeführt wird und<br />
während der Laufzeit keine Festplattenzugriffe benötigt.<br />
Bild 8 zeigt den Ressourcenbedarf <strong>für</strong> die generierte<br />
VM. Das Muster ist mit 8 GB erwartungsgemäß groß. Die<br />
generierte VM ist im Ursprungszustand jedoch nur<br />
59 MB groß. Erst nachdem weitere Zustände der VM<br />
eingefroren wurden, wächst der Speicherbedarf auf<br />
etwa 500 MB an.<br />
Außerdem verdeutlicht Bild 8, dass <strong>für</strong> die Emulation<br />
416 MB Arbeitsspeicher benötigt werden. Dies errechnet<br />
sich aus dem benötigten Speicher <strong>für</strong> die Emulator-<br />
Instanzen und den 256 MB <strong>für</strong> das Betriebssystem. Als<br />
virtuelle Schnittstellen werden zwei virtuelle Ethernet-<br />
Karten gebraucht, je eine <strong>für</strong> die Soft-SPS und <strong>für</strong> SoftFF.<br />
Um die Rechenzeit zu ermitteln, wurde eine Testkonfiguration<br />
gemäß dem PassMark Performance Test 7.0<br />
(www.passmark.com) auf einem Standard PC vorbereitet.<br />
Als Virtualisierungssoftware wurde VMware Workstation<br />
eingesetzt. Die Ergebnisse des Performance-<br />
Tests weisen lediglich einen kritischen Zustand auf: das<br />
Starten einer VM.<br />
Die vielen Zugriffe auf die Festplatte, die während des<br />
Startens nötig sind, führen dazu, dass die Zugriffsgeschwindigkeit<br />
auf die Festplatte innerhalb der VM um<br />
etwa 30 % einbricht. Auch die Zugriffsgeschwindigkeit<br />
auf den Arbeitsspeicher wird um zirka 20 % langsamer.<br />
Es gilt daher, darauf zu achten, dass alle Startvorgänge<br />
von parallel laufenden VM vollständig abgeschlossen<br />
sind, bevor die Emulation gestartet wird.<br />
3. DISKUSSION DES ANSATZES<br />
3.1 Grenzen<br />
Das VEF macht sich die Skalierbarkeit einer virtuellen<br />
IT-Infrastruktur zunutze. Hierdurch ergeben sich jedoch<br />
einige Ausschluss kri terien:<br />
52<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
BILD 7: Screenshot: Auswahl der zu emulierenden Objekte<br />
BILD 8: Benötigte Ressourcen <strong>für</strong> das Beispiel<br />
Das VEF ist ungeeignet <strong>für</strong> hardwarebasierte<br />
Emulatoren.<br />
Emulatoren, die als Basis eine Hardware-Plattform<br />
benutzen, können nicht in das VEF integriert werden.<br />
Der Emulator muss auf einer Virtuellen Maschine<br />
lauffähig sein.<br />
Generell müssen alle Emulatoren – auch softwarebasierte<br />
– die nicht in einer VM betrieben werden können,<br />
von einer Verwendung im VEF ausgeschlossen werden.<br />
Ethernet als Kommunikationsbasis<br />
Der Emulator sollte zur Laufzeit eine Ethernet-<br />
Kommunikation auf weisen. Emulatoren, die zum<br />
Beispiel über Profibus kommunizieren, benötigen<br />
spezielle Hardware, die nicht von der Virtualisierungsumgebung<br />
unterstützt wird.<br />
Aktuelle Feldbusse basieren zunehmend auf Ethernet,<br />
weshalb davon auszugehen ist, dass Ethernet in Zukunft<br />
eine wichtige Rolle spielen wird [17] und hauptsächlich<br />
ältere Emulatoren betroffen sind. Emulatoren auf Basis<br />
von Hardware sind zwar nicht integrierbar, diese lassen<br />
sich jedoch über die konventionellen Kommunikationswege<br />
(beispielsweise Profibus PCI-Karte) im Verbund mit<br />
dem VEF verwenden.<br />
3.2 Forschungsbedarf<br />
Der Beitrag behandelt vor allem die Konfiguration der<br />
VM und der Emulatoren, die darin ausgeführt werden.<br />
Aus wissenschaftlicher Sicht bleiben bezüglich der<br />
Generierung einer vollständigen Emulation folgende<br />
Fragestellungen offen:<br />
Inwiefern wird das Laufzeitverhalten der Emulatoren<br />
durch die virtuelle Umge bung beeinflusst?<br />
Um eine belastbare Emulation der Komponenten zu<br />
erhalten, müssen die Emulatoren ein mit der realen<br />
Komponente identisches Laufzeitverhalten aufweisen.<br />
Hier<strong>für</strong> müssen Benchmarks entwickelt, angewandt<br />
und ausgewertet werden, welche die Emulatoren auf<br />
ihre Geschwindigkeit/Echtzeitverhalten untersuchen<br />
(zum Beispiel PLCopen Benchmark).<br />
Wie können Emulationen geeignet gespeichert<br />
werden?<br />
FAZIT<br />
In der Regel wird eine Emulation <strong>für</strong> einen begrenzten<br />
Zeitraum benötigt und danach nicht weiter benutzt.<br />
Durch Persistieren könnte die Emulation zu<br />
einem späteren Zeit punkt weiterverwendet werden<br />
(z.B. <strong>für</strong> Brown-Field Projekte).<br />
Welche Schnittstellen zur Simulation werden benötigt?<br />
Um eine vollständige virtuelle Inbetriebnahme zu<br />
ermöglichen, werden Schnittstellen <strong>für</strong> die Orchestrierung<br />
und den Austausch der Ein- und Ausgangssignale<br />
[3] zwischen Simulation und Emulation benötigt.<br />
Neben den bekannten Vorteilen des Einsatzes von Virtualisierung<br />
– wie effizientere Hardware-Auslastung,<br />
ge ringere Betriebskosten, geringerer Stromverbrauch,<br />
geringerer administrativer Aufwand [16] im Vergleich zu<br />
konventionellen Rechnersystemen – bietet das VEF weitere<br />
Vorteile. Das VEF wurde im Hinblick auf eine effiziente<br />
Vorbereitung des FAT <strong>für</strong> AT-Komponenten und Subsysteme<br />
entwickelt. Der manuelle Aufwand zur Parametrierung,<br />
Konfiguration und Administration <strong>für</strong> die<br />
Emulator-Instanzen wird durch den Einsatz des VEF gering<br />
gehalten. Es werden lediglich zwei Nutzerinter aktionen<br />
benötigt: die Auswahl der zu emulierenden Objekte und<br />
zur Konfiguration des Zugriffs auf den ESXi-Server.<br />
Durch den Einsatz des VEF erübrigt sich die Beschaffung,<br />
Montage und Parametrierung externer<br />
Rechnerschnitt stellen. Die virtualisierte Hardware wird<br />
automatisch konfiguriert und parametriert, wodurch sich<br />
der Aufwand <strong>für</strong> die Bereitstellung der Emulation weiter<br />
verringert. Durch die Nutzung von Virtualisierung wird<br />
eine Lösung geschaffen, welche durch einen niedrigen<br />
Entwicklungsaufwand schnell zu einsetzbaren Werkzeugen<br />
führt. Auch die technische Realisierung zeigt, dass<br />
es möglich ist, eine Umsetzung <strong>für</strong> ein komplexes Leitsystem<br />
zu entwickeln. Das VEF ist damit eine skalierbare<br />
Umgebung, mit der Emulationen effizient <strong>für</strong> gewerkübergreifende,<br />
heterogene Leitsystemkonfigurationen<br />
erstellt und angewendet werden können.<br />
MANUSKRIPTEINGANG<br />
14.05.2012<br />
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012<br />
53
HAUPTBEITRAG<br />
REFERENZEN<br />
AUTOREN<br />
[1] Rodies, H.-J.: Planungswerkzeuge aus Sicht des<br />
Anlagenbaus. <strong>atp</strong> – Automatisierungstechnische Praxis<br />
44(1), S. 40-44, 2002<br />
[2] Sato, H: The Recent Movement of Foundation Fieldbus<br />
Engineering. In: SICE Annual Conference, S. 1134 –1137,<br />
2003<br />
[3] Barth, M.: Automatisch generierte Simulationsmodelle<br />
verfahrenstechnischer Anlagen <strong>für</strong> den Steuerungstest.<br />
VDI, 2011<br />
[4] Greifeneder, J., Weber, P., Barth, M., Fay, A.:<br />
Generierung von Simulationsmodellen auf Basis von<br />
PLS-Engineering-Systemen.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> – Auto matisierungstechnische Praxis 54(4),<br />
S. 34 – 41, 2012<br />
[5] Maeda, T.: A testing environment.<br />
ABB’s comprehen sive suite of software testing and<br />
commis sioning tools for substation automation<br />
systems. ABB Review Special Report IEC 61850,<br />
S. 29 – 32, 2010<br />
[6] IEC61850: Communication networks and systems in<br />
substations, 2003<br />
[7] Hoernicke, M. und Bauer, P.:<br />
Emulation dezentraler Steuerungslogik.<br />
Dynamisches Testen von Field- Control-Systemen.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> – Automatisierungs technische Praxis 54(4),<br />
S. 42 – 49, 2012<br />
[8] Hoernicke, M., Weemes, P., Hanking, H.: The fieldbus<br />
outside the field. Reducing commis sioning effort<br />
by simulating FF with SoftFF. ABB Review 1/2012,<br />
S. 47-52, 2012.<br />
[9] Günthner, W. und Ten Hompel, M.: Internet der Dinge in<br />
der Intralogistik. Springer, 2010<br />
[10] VDI 3633: Simulation von Logistik-, Materialfluss und<br />
Produktionssystemen – Grundlagen, März 2000<br />
[11] Wünsch, G.: Methoden <strong>für</strong> die virtuelle Inbetriebnahme<br />
automatisierter Produktionssysteme. Herbert Utz,<br />
2008<br />
[12] Barth, M., Fay, A., Wagner, F., Frey, G.: Effizienter<br />
Einsatz Simulations-basierter Tests in der Entwicklung<br />
automatisierungstechnischer Systeme.<br />
In: Tagungsband Automation 2010, S. 47 – 50. VDI, 2010<br />
[13] IEC61131-3-Part 3: Programming Languages.<br />
Edition 2.0, 2003<br />
[14] Brandao, D., da Cunha, M.J., Pinotti Jr., M.:<br />
Fieldbus Control System Project Support Tool<br />
based on Experimental Analysis and Modeling of<br />
Communication Bus.<br />
In: IEEE International Conference on Industrial<br />
Technology (ICIT’04), Vol. 2, S. 787 – 792, 2004<br />
[15] Lowy, J.: Programming WCF Services.<br />
O’Reilly Media, 2008<br />
[16] Runge, R., Sturm, C., Wisskirchen, S., Ebel, N.,<br />
Groh, J., Höller, O., Mewes, C.: VMware Infrastructure<br />
3 im Business-Umfeld. Addison-Wesley, 2009<br />
[17] Morse, J.: Ethernet Steams Ahead in Asia Pacific.<br />
IMS Research, Januar 2012<br />
Dipl.-Ing. (FH) MARIO<br />
HOERNICKE (geb. 1984)<br />
ist Wissenschaftler am<br />
ABB Forschungszentrum<br />
in Ladenburg. Sein<br />
Forschungsschwerpunkt<br />
umfasst die Entwicklung<br />
neuer und innovativer<br />
Engineering-Konzepte im<br />
Bereich Emulation von Leitsystemfunktionen<br />
und Subsystemen sowie der Automation des<br />
Engineerings.<br />
ABB AG Forschungszentrum,<br />
Wallstadter Straße 59,<br />
D-68526 Ladenburg,<br />
Tel. +49 (0) 6203 71 62 66,<br />
E-Mail: mario.hoernicke@de.abb.com<br />
Dr.-Ing.<br />
JÜRGEN GREIFENEDER<br />
(geb. 1975) ist seit 2008<br />
Wissenschaftler am ABB<br />
Forschungszentrum in<br />
Ladenburg. Er studierte<br />
Technische Kybernetik in<br />
Stuttgart und promovierte<br />
über formale Antwortzeitanalyse<br />
netzbasierter Automatisierungssysteme<br />
in Kaiserslautern. Seine wissenschaftlichen<br />
Schwerpunkte sind Systemmodellierung und<br />
effizientes Engineering.<br />
ABB AG Forschungszentrum,<br />
Wallstadter Straße 59,<br />
D-68526 Ladenburg,<br />
Tel. +49 (0) 6203 71 62 22,<br />
E-Mail: juergen.greifeneder@de.abb.com<br />
ABB AG Forschungszentrum,<br />
Wallstadter Straße 59,<br />
D-68526 Ladenburg,<br />
Tel. +49 (0) 6203 71 64 61,<br />
E-Mail: mike.barth@de.abb.com<br />
Dr.-Ing. MIKE BARTH<br />
(geb. 1981) ist Wissenschaftler<br />
am ABB Forschungszentrum<br />
in Ladenburg. Seine<br />
Forschungsschwerpunkte<br />
umfassen Methoden und<br />
Werkzeuge <strong>für</strong> ein effizientes<br />
Engineering von Automatisierungssystemen.<br />
54<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
KNOWLEDGE<br />
for the FUTURE<br />
<br />
<br />
<br />
Process Control Systems Engineering<br />
Process Control Systems (PCS) are distributed control systems<br />
<br />
process industries.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
application areas which are dominated by locally standardized<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Editor: L. Urbas<br />
1 st <br />
<br />
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www.oldenbourg-industrieverlag.de<br />
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Reply / Antwort<br />
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<br />
PAPCSE2012<br />
Please note:<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012 55<br />
none. This approval may be withdrawn at any time.
HAUPTBEITRAG<br />
Geräteintegration mit FDI und<br />
OPC UA<br />
Mit standardisiertem Informationsmodell Geräte integrieren<br />
Aktuelle Middleware in der Automatisierung bietet umfangreiche Möglichkeiten zur<br />
Informationsmodellierung. Standards wie OPC UA oder IEC 61850 erlauben es, neben den<br />
Daten auch Beschreibungen der Daten auszutauschen und damit die Semantik der Daten<br />
festzulegen. Standardisierte Informationsmodelle vereinheitlichen diese Semantik und<br />
ermöglichen es, die Daten zu interpretieren und reduzieren so den Konfigurationsaufwand.<br />
Die nächste Generation der Geräteintegration – FDI (Field Device Integration) – baut auf<br />
diese Konzepte, in dem es ein standardisiertes Informationsmodell auf Basis von OPC UA<br />
definiert. In diesem Beitrag werden OPC UA und seine Modellierungskonzepte vorgestellt<br />
und die Anwendung in FDI <strong>für</strong> eine interoperable Geräteintegration beschrieben.<br />
SCHLAGWÖRTER OPC UA / Informationsmodellierung / FDI / Geräteintegration /<br />
Middleware<br />
Device Integration with standardized Information Model –<br />
Integration of Devices with FDI and OPC UA<br />
Nowadays middleware in automation provides comprehensive means for information<br />
modelling. Standards like OPC UA or IEC 61850 allow to not only provide data but to<br />
provide semantics of data at the same time. The next generation of device integration FDI<br />
builds upon such concepts and defines an open and standardized information model based<br />
on OPC UA. In this paper OPC UA and its modeling concepts are explained as well as its<br />
application in FDI.<br />
KEYWORDS OPC UA / information modelling / FDI / device integration / middleware<br />
56<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
DANIEL GROSSMANN, WOLFGANG MAHNKE, ABB<br />
Oft ist es in der Automatisierung notwendig,<br />
eine Anlage nicht nur mit Produkten eines<br />
Herstellers zu automatisieren, sondern Produkte<br />
verschiedener Hersteller zu integrieren.<br />
Dazu ist es erforderlich, die Kommunikation<br />
zu vereinheitlichen, um eine aufwendige Punkt-zu-<br />
Punkt-Integration mit proprie tären herstellerspezifischen<br />
Schnittstellen und Protokollen zu vermeiden.<br />
Standardisierte Protokolle wie Hart, Profibus/Profinet<br />
oder Foundation Fieldbus <strong>für</strong> die Echtzeitkommunikation<br />
oder klassisches OPC auf der PC-Ebene bieten diese<br />
vereinheitlichte Kommunikation zwischen Produkten<br />
verschiedener Hersteller. Damit lassen sich Daten standardisiert<br />
in der Automatisierung aus tauschen.<br />
Inzwischen gibt es einen Trend in der Automatisierung,<br />
auch die Semantik der Daten zu standardisieren.<br />
Standards wie ISA 88 (auch IEC 61512, Chargenverarbeitung),<br />
ISA 95 (auch IEC 62264, MES-Ebene), oder das<br />
Common Information Model (CIM) mit der IEC 61970<br />
<strong>für</strong> Energiemanagement sowie IEC 61968 <strong>für</strong> Energieverteilung<br />
definieren die Semantik der Daten in den von<br />
ihnen adressierten Domänen. Dies geschieht zunächst<br />
unabhängig von der Spezifikation, wie die Daten übertragen<br />
werden.<br />
Standards wie OPC UA (IEC 62541) und IEC 61850 definieren<br />
die Kommunikation der Daten sowie den Austausch<br />
von Daten zur Beschreibung der Daten (Metadaten),<br />
die damit auch die Semantik festlegen. Damit wird<br />
eine Schnittstelle <strong>für</strong> eine Middleware in der Automatisierung<br />
festgelegt, die herstellerunabhängig die Integration<br />
von Daten in der Automatisierung ermöglicht und<br />
dabei auch die Semantik der Daten berücksichtigt. Die<br />
Middleware ist in der Lage, Anlagenteile miteinander zu<br />
verbinden und dabei Daten von Produkten verschiedener<br />
Hersteller zu integrieren. Durch standardisierte Abbildungen<br />
der Informationsstandards auf die Middleware-<br />
Technologien ist damit auch eine Interoperabilität auf<br />
semantischer Ebene möglich.<br />
1. EINFÜHRUNG OPC UA<br />
OPC UA (OPC Unified Architecture) [1] wurde von der<br />
OPC Foundation als Nachfolger der klassischen OPC-<br />
Spezifikationen entwickelt und ist inzwischen als IEC<br />
62541 [2] standardisiert. Dabei wurden verschiedene<br />
Ziele adressiert:<br />
Unterstützung der Funktionalität der klassischen<br />
OPC-Spezifikationen.<br />
Technologiewechsel von Microsoft’s COM/DCOM<br />
zu herstellerunabhängigen Technologien basierend<br />
auf Serviceorientierter Achitektur.<br />
Erfüllung von IT-Sicherheitsanforderungen und<br />
somit einem Secure by Design. In Zeiten von<br />
Stuxnet und Co. [3] erscheint diese Anforderung<br />
besonders wichtig.<br />
Zusammenführung der unabhängig voneinander<br />
existierenden Standards des klassischen OPC.<br />
OPC Data Access (Zugriff auf aktuelle Messwerte<br />
und Stellwerte), OPC Alarms & Events (Zugriff auf<br />
Ereignisse und Alarme) sowie OPC Historical Data<br />
Access (Zugriff auf die Historie von Messwerten<br />
und Stellwerten) sollen in einem gemeinsamen<br />
Adressraum vereint werden, um die Zusammenhänge<br />
zwischen diesen Datenklassen ausdrücken<br />
zu können.<br />
Unterstützung zusätzlicher Eigenschaften, wie die<br />
Möglichkeit, Methoden aufzurufen, die Struktur<br />
des Adressraums zu ändern oder auf die Historie<br />
von Ereignissen zugreifen zu können.<br />
Bereitstellung von Mechanismen zur Beschreibung<br />
der Daten und damit die Möglichkeit,<br />
Metadaten zu spezifizieren. Dabei sollen lediglich<br />
die Mechanismen definiert werden, um verschiedene,<br />
standardisierte Informationsmodelle zu<br />
verwalten. Die Semantik soll durch begleitende<br />
Spezifikationen festgelegt werden.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012<br />
57
HAUPTBEITRAG<br />
Zum Erfüllen dieser Ziele definiert OPC UA zunächst<br />
technologieunabhängige Services wie Lesen (Read) und<br />
Schreiben (Write) von Werten oder Navigieren im Adressraum<br />
(Browse). Diese sind bereits serviceorientiert entworfen,<br />
indem der Zugriff nicht auf einen Wert sondern<br />
mengenorientiert auf mehreren Werten erfolgt und somit<br />
die Anzahl der Aufrufe minimiert. Diese Services werden<br />
auf Technologien abgebildet, wie SOAP-basierte Web<br />
Services oder ein besonders performantes TCP -basiertes<br />
Protokoll. Die Daten können dabei in XML oder binär<br />
kodiert werden. Damit weicht OPC UA vom Konzept der<br />
klassischen OPC-Spezifikationen ab, lediglich eine<br />
Schnittstelle <strong>für</strong> eine existierende Kommunikationsinfrastruktur<br />
(COM/DCOM) zu definieren, sondern definiert,<br />
basierend auf existierender Technologie, ein eigenes<br />
Kommunikationsprotokoll. Damit werden die besonderen<br />
Anforderungen der Automatisierung bezüglich Verlässlichkeit<br />
und Verfügbarkeit sowie Performanz und IT-<br />
Sicherheit besser berücksichtigt.<br />
Neben der Kommunikation definiert OPC UA Mechanismen<br />
zur Informationsmodellierung. Dabei werden<br />
Messwerte und Stellwerte zusammen mit Ereignissen<br />
und Alarmen verwaltet und ein Zugriff auf die Historie<br />
beider Datenarten ermöglicht. Zusätzlich können Metadaten<br />
bereitgestellt und Methoden aufgerufen werden.<br />
Mit diesen Mechanismen skaliert OPC UA <strong>für</strong> eine<br />
Anwendung in vielen Bereichen der Automatisierung.<br />
OPC UA kann auf kleinen intelligenten Geräten mit<br />
limitierten Ressourcen über Controller und PC-Systeme<br />
bis zu großen Mainframe-Systemen oder der Cloud eingesetzt<br />
werden. Die herstellerunabhängigen Technologien<br />
ermöglichen den Einsatz auf beliebigen Betriebssystemen.<br />
Über Profile können OPC-UA-Produkte<br />
definieren, welche Eigenschaften von OPC UA sie unterstützen.<br />
Einfache Produkte könnten beispielweise keine<br />
Historie und lediglich eine kleine Anzahl von Clients<br />
unterstützen, wohingegen andere Produkte die Historie<br />
über Dekaden und Tausende von Clients unterstützen.<br />
Gleiches gilt <strong>für</strong> Clients, die lediglich von einfachen<br />
Funktionen, wie das Lesen eines Wertes, Gebrauch<br />
machen bis hin zu Konfigurations anwendungen, die die<br />
Struktur des Adressraums eines Servers verändern.<br />
Diese Skalierung gilt auch <strong>für</strong> die Informationsmodellierungseigenschaften.<br />
Ein einfacher Server könnte beispielsweise lediglich<br />
die Information eines klassischen OPC-DA-Servers<br />
anbieten und damit ein sehr einfaches Informationsmodell<br />
ohne semantische Informationen bis hin zu sehr<br />
komplexen Informationsmodellen, die etwa die Konfiguration<br />
eines Leitsystems repräsentieren. Einfache Clients<br />
können ohne Hilfe des Informationsmodells auf vorkonfigurierte<br />
Werte zugreifen oder mithilfe des Informationsmodells<br />
konfiguriert werden.<br />
1.1 Informationsmodellierung<br />
Die OPC-UA-Informationsmodellierung basiert auf<br />
einem kleinen Satz von Basiskonzepten, die <strong>für</strong> die Automatisierungsdomäne<br />
optimiert wurden und auf die mit<br />
den Services zugegriffen werden kann.<br />
Objekte dienen der Strukturierung des Adressraums.<br />
Daneben dienen sie dem Zugriff auf<br />
aktuelle Ereignisse und Alarme sowie deren<br />
Historie. Objekte sind getypt durch Objekttypen.<br />
Mit Objekttypen werden die Semantik von<br />
Objekten und die Struktur von komplexen Objekten<br />
fest gelegt. Objekttypen werden in einer<br />
Typhierarchie verwaltet, die objektorientierte<br />
Konzepte, wie Vererbung oder das Überschreiben,<br />
erlauben. Mit dem Wissen über einen Objekttyp<br />
kann beispielsweise ein Faceplate definiert werden<br />
und später auf allen Objekten dieses Typs oder von<br />
Subtypen angewandt werden. Die Semantik eines<br />
Objekttyps wird durch dessen Namen und<br />
Beschreibung bekannt gegeben. Einfache Objekttypen,<br />
wie der Basisobjekttyp, beinhalten noch keine<br />
Semantik. Diese wird durch Subtypen beschrieben.<br />
Ob ein Objekt ein Gerät repräsentiert oder ein<br />
Gerät einer bestimmten Klasse oder eines<br />
bestimmten Her stellers wird durch Subtypen<br />
bestimmt. Durch Vererbung lässt sich also noch<br />
zusätzliche Semantik definieren.<br />
Variablen repräsentieren Werte – dies können<br />
Mess- oder Stellwerte und andere beschreibende<br />
Werte sein, wie beispielsweise die verwendete<br />
Messeinheit. Variablen sind direkt oder indirekt<br />
Objekten zugewiesen und repräsentieren somit<br />
Werte von Objekten. Variablen sind getypt durch<br />
Variablentypen. Beim Zugriff auf einen Wert wird<br />
auf die besonderen Eigenschaften der Automatisierung<br />
Rücksicht genommen und ein Wert mit<br />
Zeitstempel und Qualität angeboten. Neben dem<br />
Zugriff auf aktuelle Werte kann auch auf deren<br />
Historie zugegriffen werden. Hierbei werden<br />
verschiedene Aggregatsfunktionen angeboten, die<br />
auch auf die Qualität der Werte achten (falls ein<br />
Messgerät eine Zeitlang nicht verfügbar war).<br />
Variablentypen definieren die Semantik von<br />
Variablen sowie deren komplexe Struktur. Typischerweise<br />
wird damit eher eine strukturelle<br />
Semantik festgelegt – beispielsweise ein analoger<br />
Messwert mit Messeinheit. Die Semantik der<br />
Variable wird im Kontext der Verwendung, also<br />
beispielsweise über den Objekttyp, festgelegt (zum<br />
Beispiel der primäre Messwert eines Gerätes).<br />
Methoden sind Objekten oder zur Definition<br />
Objekttypen zugeordnet und definieren eine<br />
Aufrufschnittstelle mit Eingabe- und Ausgabeparametern.<br />
Beispielsweise kann eine Methode ein<br />
Gerät zur Konfiguration <strong>für</strong> den Zugriff anderer<br />
Benutzer (oder Clients) sperren.<br />
Referenzen definieren die Beziehungen zwischen<br />
beliebigen Knoten (wie Objekte, Objekttypen,<br />
Variablen) im Adressraum. Im Gegensatz zu klassischem<br />
OPC wird nicht mehr lediglich eine<br />
einfache Hierarchie unterstützt, sondern es<br />
können beliebige Beziehungen modelliert werden.<br />
58<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
Referenztypen dienen der Definition der Semantik<br />
einer Referenz. Daneben können auch Regeln zur<br />
Benutzung angewandt werden. Es gibt eine Reihe<br />
vorgegebener Referenztypen, die durch benutzerdefinierte<br />
Referenztypen erweitert werden kann.<br />
Das Metamodell von OPC UA bedient sich der<br />
Referenztypen, um beispielsweise Vererbung zu<br />
modellieren oder die Verbindung zwischen Objekt<br />
und Objekttyp. Als Regel gilt beispielsweise, dass<br />
jedes Objekt genau einem Objekttyp zugewiesen<br />
sein muss. Referenztypen sind ebenfalls in einer<br />
Vererbungshierarchie angeordnet und können als<br />
Filter bei der Navigation eingesetzt werden, indem<br />
lediglich Referenzen von bestimmten Typen<br />
gefolgt wird.<br />
Datentypen definieren den Typ eines Messwerts,<br />
also zum Beispiel Boolean oder Int16. Neben den<br />
einfachen Datentypen werden auch Enumerations<br />
und strukturierte Datentypen unterstützt. Diese<br />
können auch benutzerdefiniert erweitert werden.<br />
Über Information im Adressraum kann ein Client<br />
zur Laufzeit die Struktur dieser Datentypen<br />
auslesen und die Werte so interpretieren.<br />
Sichten ermöglichen es, einen großen komplexen<br />
Adressraum (mehrere hunderttausend Knoten) zu<br />
organisieren und lediglich einen Ausschnitt des<br />
Adressraums anzuzeigen, der beispielsweise <strong>für</strong><br />
eine bestimmte Aufgabe zugeschnitten ist.<br />
Mit diesen Konzepten können einfache und auch komplexe<br />
Informationsmodelle erstellt werden. Zur einfacheren<br />
Darstellung definiert OPC UA eine standardisierte<br />
Darstellung von OPC-UA-basierten Informationsmodellen.<br />
Ein Beispiel zeigt Bild 1. Auf der rechten<br />
Seite ist eine einfache Objekttyphierarchie gegeben, in<br />
der ein Analysegerätetyp dargestellt wird. Auf der linken<br />
Seite ist eine Instanz eines solchen Typs abgebildet.<br />
Die Struktur entspricht der Struktur des Objekttyps.<br />
zu bestimmten Informationen im Server. OPC UA bedient<br />
sich dieser Funktionalität bereits, um diagnostische<br />
Information über den OPC-UA-Server bereitzustellen.<br />
Eine bestimmte Variable mit einem wohldefinierten<br />
Identifikator enthält beispielsweise Statusinformation<br />
über den Server.<br />
OPC UA wurde so entworfen, dass ein Server mehrere<br />
Informationsmodelle unterstützen kann. Dies ermöglicht<br />
es, Informationsmodelle abhängig voneinander zu definieren.<br />
So wurde beispielsweise ein allgemeines Informationsmodell<br />
entwickelt zur Repräsentation beliebiger<br />
Geräte in OPC UA [6]. Dieses DI (Device Integration)<br />
BILD 1: Beispiel eines OPC-UA-Objekttyps sowie eines Objekts,<br />
welches ein Gerät repräsentiert<br />
OPC-UA-Basis-Informationsmodell<br />
1.2 Standardisierte Informationsmodelle<br />
Nachdem zuvor die Modellierungskonzepte beschrieben<br />
wurden, kann nun auf standardisierte Informationsmodelle,<br />
basierend auf OPC UA, eingegangen werden. Die<br />
Idee ist dabei, die Kommunikation und Modellierungskonzepte<br />
von OPC UA zu verwenden und basierend darauf<br />
die Semantik einer bestimmten Domäne zu definieren.<br />
Die Abbildung kann dabei von einem existierenden<br />
Modell erfolgen, wie beispielswiese bei der Abbildung<br />
des IEC 61131-3-Programmiermodells auf OPC UA [4].<br />
Oder es kann ein neues Informationsmodell basierend<br />
auf OPC UA entworfen werden, wie bei der neuen Definition<br />
eines Informationsmodells <strong>für</strong> bestimmte Analysegeräte<br />
(ADI – Analyzer Device Integration) [5]. Zur<br />
Erstellung eines standardisierten Informationsmodells<br />
können Objekt-, Variablen-, Daten, und Referenztypen<br />
und auch bestimmte Objekte oder Variablen definiert<br />
werden. Diese dienen beispielsweise dem Einstiegpunkt<br />
IEC 61131-3<br />
Informationsmodell<br />
Informationsmodell<br />
Informationsmodell<br />
(DI)<br />
ADI Informationsmodell<br />
Informationsmodell<br />
BILD 2: Abhängigkeiten zwischen verschiedenen Informationsmodellen<br />
bei OPC UA<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012<br />
59
HAUPTBEITRAG<br />
genannte Modell bietet auch die Basis <strong>für</strong> ADI und das<br />
IEC 61131-3-Modell. In beiden Fällen werden ebenfalls<br />
Geräte verwaltet. In Bild 2 werden diese Abhängigkeiten<br />
dargestellt. Die Basisspezifikation (Part 5) bietet bereits<br />
Basisobjekttypen. Diese werden von DI verfeinert. Von<br />
diesen erben wiederum ADI und das IEC 61131-3 Modell.<br />
Als Variablen werden Variablen mit in Part 8 definierten<br />
Zusätzen verwendet, die beispielsweise die Messeinheiten<br />
beinhalten. Ein Client, der darauf ausgerichtet ist,<br />
Geräteinformation darzustellen, kann damit Automatisierungskomponenten,<br />
die das IEC 61131-3-Modell unterstützen,<br />
und Analysegeräte verwalten.<br />
2. DAS FDI-INFORMATIONSMODELL<br />
2.1 Einführung in FDI<br />
Intelligente Feldgeräte übernehmen immer mehr Aufgaben<br />
im Automatisierungssystem. Dazu besitzen sie<br />
eine Vielzahl an Parametern, Daten und Funktionen,<br />
über die sie sich flexibel an die Anforderungen der<br />
Messstelle anpassen lassen (zum Beispiel Hüllkurve).<br />
Darüber hinaus liefern moderne Feldgeräte detaillierte<br />
Informationen zu ihrem aktuellen Zustand und bilden<br />
somit die Basis <strong>für</strong> vorausschauende <strong>Instandhaltungsstrategien</strong><br />
[7]. Diese Daten und Funktionen intelligenter<br />
Feldgeräte <strong>für</strong> die Aufgaben im Lebenszyklus eines<br />
Automatisierungssystems verfügbar zu machen, ist<br />
Zweck der Geräteintegration.<br />
Mit FDI (Field Device Integration) entsteht die zukünftige<br />
Geräteintegrationstechnologie. Dazu haben sich die<br />
Feldbusorganisationen Profibus Nutzerorganisation,<br />
Hart Communication Foundation, Fieldbus Foundation,<br />
OPC Foundation sowie die FDT Group zur FDI Cooperation<br />
zusammengeschlossen. Getragen von Firmen wie<br />
ABB, Siemens, Emerson, Endress+Hauser, Honeywell,<br />
Invensys und Yokogawa findet die FDI Cooperation breite<br />
Unterstützung in der Industrie. Zur Entwicklung von<br />
FDI wurden EDDL und FDT als Basistechnologien<br />
gewählt. Dieser Weg wurde bevorzugt, um die Migration<br />
existierender FDT- und EDDL-Lösungen zu erleichtern<br />
und vor allem bekannte Stärken beider Basistechnologien<br />
gewinnbringend in FDI einzubringen.<br />
2.1.1 Device Package – Repräsentant eines Gerätes<br />
In FDI wird ein Gerät mittels eines FDI Device Packages<br />
repräsentiert. Das FDI Device Package besteht aus<br />
mehreren standardisierten Komponenten, stellt sich<br />
dem Benutzer aber als lediglich eine Datei dar. Das<br />
vereinfacht den Umgang mit dem FDI Device Package<br />
erheblich.<br />
FDI Packages werden vom Gerätehersteller geliefert<br />
und enthalten alle Informationen, die <strong>für</strong> eine Geräteintegration<br />
notwendig sind. Das FDI Device Package<br />
besteht aus den logischen Blöcken Device Definition,<br />
Business Logic, User Interface Description und User<br />
Interface Plugin (Bild 3). Die Device Definition beschreibt<br />
dabei die Daten des Feldgerätes sowie dessen interne<br />
Struktur (zum Beispiel Blöcke). Die Business Logic stellt<br />
vor allem sicher, dass die Konsistenz des Gerätemodells<br />
gewahrt bleibt. Hier spielen insbesondere die dynamischen<br />
Abhängigkeiten zwischen den Daten eine Rolle.<br />
Beispielsweise können sich die möglichen Werte eines<br />
Parameters abhängig vom Gerätezustand verändern.<br />
Bedienoberflächen können deskriptiv (User Interface<br />
Descriptions) oder als programmierte Komponenten<br />
(User Interface Plugins) in dem FDI Package enthalten<br />
sein. Device Definition, Business Logic und User Interface<br />
Description werden mit der harmonisierten Electronic<br />
Device Description Language (EDDL) implementiert;<br />
User Interface Plugins nutzen Windows Presentation<br />
Foundation (WPF) als Implementierungstechnologie.<br />
Darüber hinaus enthält das FDI Device Package weitere<br />
Dateien wie zum Beispiel Handbücher oder Protokollspezifische<br />
Dateien wie etwa eine GSD.<br />
2.1.2 Die FDI-Basisarchitektur<br />
Die FDI-Basisarchitektur folgt dem Client-Server-Architekturmuster.<br />
In einer solchen Architektur stellt ein Server<br />
Dienste bereit, auf die verschiedene, meist verteilte,<br />
Clients zugreifen. Technologische Basis hier<strong>für</strong> ist die<br />
OPC Unified Architecture (OPC UA) [2]. In der Client-<br />
Server-Architektur von FDI bietet ein FDI-Server den<br />
Zugriff auf das OPC-UA-Informationsmodell. Das Informationsmodell<br />
repräsentiert die gesamte Kommunikationsinfrastruktur<br />
sowie die Feldgeräte des Automatisierungssystems<br />
als Objekte (Bild 4).<br />
FDI-Clients greifen dann über den FDI-Server auf das<br />
Informationsmodell zu, um beispielsweise die<br />
Bedienoberfläche des Feldgerätes zu laden und Clientseitig<br />
zur Anzeige zu bringen. Verändert der Bediener<br />
nun über die Bedienoberfläche Parameter des Feldgerätes,<br />
so werden diese vom Client zurück in das Informationsmodell<br />
übertragen. Daneben können FDI-Clients<br />
auch ohne gerätespezifische Bedienoberfläche auf die<br />
Geräteparameter im Informationsmodell zugreifen (zum<br />
Beispiel <strong>für</strong> Condition Monitoring).<br />
Welche Daten, Funktionen und Bedienoberflächen der<br />
FDI-Server im Informationsmodell repräsentieren muss,<br />
definiert der Gerätehersteller über das FDI Device<br />
Package. Der FDI-Server importiert FDI Device Packages<br />
in seinen internen Gerätekatalog. Da FDI Device Packages<br />
keine Registrierung im Sinne einer Software-Installation<br />
benötigen, gibt es auch keine unangenehmen Seiteneffekte,<br />
die die Robustheit des Systems beeinflussen könnten.<br />
Wird eine Instanz eines Gerätes im FDI-Server angelegt,<br />
nutzt der FDI-Server die Device Definition zum<br />
Aufbau eines Informationsmodells. FDI-Clients greifen<br />
über das Informationsmodell auf Gerätedaten, -funktionen<br />
und -bedienoberflächen zu. Wie die Device Definition<br />
wird auch die des FDI Device Packages über die EDD<br />
Engine ausgeführt. Die Business Logic stellt die Konsistenz<br />
des Gerätemodells sicher. Zusätzlich regelt diese<br />
60<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
■ Geräteparameter<br />
(z.B. Einheit,<br />
Messbereich,<br />
Diagnosedaten, etc.)<br />
■ Gerätestruktur<br />
(z.B. Blöcke<br />
■ Konsistenzregeln/<br />
Abhängigkeiten<br />
zwischen<br />
Geräteparametern<br />
■ Gerätefunktionen<br />
(z.B. Kalibrieren<br />
■ Bedienoberfl äche<br />
(beschrieben)<br />
■ Bedienoberfl äche<br />
(programmiert)<br />
■ Bedienungsanleitung<br />
■ Protokollspezifi sche<br />
Dateien (z.B. GSD<br />
(ML), etc.)<br />
BILD 3: Struktur des FDI Device Packages<br />
BILD 4: FDI-Basisarchitektur<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012<br />
61
HAUPTBEITRAG<br />
Logik auch die ordnungsgemäße Kommunikation zum<br />
Gerät. Die User Interface Descriptions werden vom FDI-<br />
Server vorverarbeitet, die eigentliche Anzeige geschieht<br />
auf den Clients. Die programmierten User Interface Plugins<br />
werden vom Server nur verwaltet, aber nicht ausgeführt.<br />
Sie werden auf Anfrage von Clients zu diesen<br />
transferiert. Dies vereinfacht das Versionsmanagement<br />
von FDI Device Packages enorm, da die Verwaltung zentral<br />
im FDI-Server erfolgt.<br />
FDI-Clients sind die Schnittstelle zum Anwender. Das<br />
Client-Server-Konzept erlaubt dabei sowohl die Verteilung<br />
der Clients als auch den koordinierten und autorisierten<br />
Zugriff mehrerer Clients auf das gemeinsame<br />
Informationsmodell. Clients stellen User Interface<br />
Descriptions sowie User Interface Plugins über die UI<br />
Engine dar. Dabei interagieren Clients nicht direkt mit<br />
dem Gerät, sondern über das Informationsmodell des<br />
FDI-Servers.<br />
EDD Engine und UI Engine werden von der FDI<br />
Cooperation als Host-Components entwickelt. Dies<br />
stellt sicher, dass sowohl Verhalten als auch Darstellung<br />
über Herstellergrenzen hinweg einheitlich sind, da<br />
diese in den FDI Host-Components spezifikationskonform<br />
implementiert sind.<br />
2.2 Elemente des FDI-Informationsmodells<br />
FDI nutzt die umfangreichen Möglichkeiten von OPC-<br />
UA-Informationsmodellen zur Abbildung der Kommunikationsstruktur<br />
und der darin enthaltenen Feldgeräte<br />
des Automatisierungssystems. Dabei erweitert FDI die<br />
OPC UA Devices (DI) Companion Specification [6], die<br />
im Wesentlichen aus der FDI-Standardisierung hervorgegangen<br />
ist.<br />
BILD 5: Struktur des FDI-Informationsmodells<br />
BILD 6: Abbildung modularer Geräte im Informationsmodell<br />
2.2.1 Kommunikationsstruktur des<br />
Automatisierungssystems<br />
FDI definiert drei Einstiegspunkte in das Informationsmodell<br />
(Bild 5). Device Topology bietet den Einstieg in die<br />
Kommunikationstopologie des Automatisierungssystems.<br />
Das Device Set beinhaltet direkt die Feldgeräte, während<br />
das Network Set die Kommunikationsnetzwerke listet.<br />
Network Objects beschreiben im Informationsmodell<br />
einzelne Kommunikationsnetze, wie beispielsweise ein<br />
Profibus-Netzwerk. Da die Teilnehmer in einem Kommunikationsnetz<br />
in der Regel über eine Adresse verfügen,<br />
definiert FDI den Connection Point. Dieser enthält die<br />
Adressinformation eines einzelnen Teilnehmers. Je nach<br />
Protokoll umfasst dies beispielsweise die Profibus-Adresse.<br />
Unterhalb des Connection Point folgt jeweils das<br />
entsprechende Feldgeräte-Objekt vom Typ DeviceType,<br />
und zwar in der Offline-Repräsentation. Diese erlaubt es,<br />
Feldgeräte offline zu konfigurieren. Das heißt, die Konfigurationsdaten<br />
werden persistent abgelegt, meist in<br />
einer Datenbank. Über die IsOnline-Referenz erfolgt der<br />
Sprung in die Online-Repräsentation. Die dort enthaltenen<br />
Daten werden über die Kommunikationsinfrastruktur<br />
aus dem Feldgerät gelesen beziehungsweise in das<br />
Feldgerät geschrieben. Handelt es sich bei dem Feldgerät<br />
um ein modulares Gerät, wie etwa eine Remote IO, so<br />
werden die Module unterhalb des SubDevices-Knotens<br />
wiederum als Objekte vom Typ DeviceType abgebildet<br />
62<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
(Bild 6). Die konfigurierbaren Module können über SupportedTypes<br />
abgefragt werden.<br />
Fungiert ein Feldgerät als Gateway zwischen zwei Netzwerken<br />
(zum Beispiel Profinet/Profibus Proxy), dann<br />
besitzt das entsprechende Device-Objekt einen Connection<br />
Point in das unterlagerte Netzwerk. Die im Device<br />
Package des Gateway-Gerätes enthaltene Business Logic<br />
stellt sicher, dass Kommunikationsaufträge zwischen den<br />
Netzwerken übersetzt werden. Auf die nähere Beschreibung<br />
von Gateways wird an dieser Stelle verzichtet.<br />
selt sind (Bild 10). Dazu zählen zunächst die Locking Services<br />
InitLock, ExitLock, RenewLock und BreakLock.<br />
Clients, die schreibend auf ein Gerät zugreifen möchten,<br />
müssen über InitLock die Geräteinstanz reservieren und<br />
am Ende per ExitLock wieder freigeben. Für länger anhaltende<br />
Sessions muss das Lock mittels RenewLock erneu-<br />
2.2.2 Abbildung von Feldgeräten<br />
Instanzen des Typs DeviceType bilden die im Automatisierungssystem<br />
enthaltenen Feldgeräte ab (Bild 7). Die<br />
Eigenschaften des Objektes liefern weitere Informationen<br />
zur Feldgeräteinstanz, wie etwa Hersteller oder Gerätetyp,<br />
aber auch Informationen über den aktuellen Gerätezustand<br />
nach NE 107 [9]. Daneben besitzt das<br />
Geräte-Objekt die Methoden TransferToDevice und<br />
TransferFromDevice, um die Geräteparameter in das<br />
Gerät zu schreiben beziehungsweise vom Gerät zu lesen.<br />
Die Geräteparameter wiederum sind Inhalt des Parameter<br />
Sets. Es stellt die Parameter des Feldgeräts, basierend<br />
auf der Device Definition des FDI Device Packages, zur<br />
Verfügung. Jeder Parameter besitzt neben seinem Wert<br />
weitere Eigenschaften. Diese zeigen zum Beispiel an, ob<br />
ein Parameter im aktuellen Kontext les- und/oder<br />
schreibbar ist. Möchte ein Client einen Geräte parameter<br />
verändern, so greift er schreibend auf den entsprechenden<br />
Parameter-Knoten im Informations modell zu.<br />
Das Action Set enthält die Gerätefunktionen (zum Beispiel<br />
Factory Reset), die am Feldgerät ausgeführt werden<br />
können (Bild 8). Basis hier<strong>für</strong> ist die in EDDL beschriebene<br />
Business Logic im FDI Device Package. Gesteuert wird die<br />
Ausführung der Gerätefunktionen über die Methoden<br />
InvokeAction, RespondAction und AbortAction. Darüber<br />
hinaus können auch der aktuelle Ausführungsstatus<br />
ermittelt sowie Rückgaben an den Aufrufer gegeben werden,<br />
um beispielweise eine Rückmeldung des Benutzers<br />
zu bekommen (zum Beispiel Acknowledge).<br />
Functional Groups definieren die Bedienung des Feldgerätes<br />
(Bild 9). Ausgehend von der User Interface Description<br />
des FDI Device Packages bildet die Hierarchie von<br />
Functional Groups die Hierarchie von Bedienmenüs ab.<br />
Der Unterknoten UIDescription vom Typ UIDescriptionType<br />
enthält dabei die XML-Beschreibung des jeweiligen<br />
Bedienmenüs. So wie ein Webbrowser Web-Seiten von<br />
einem Web-Server liest und dann darstellt, können FDI-<br />
Clients diese Beschreibung von einem FDI-Server lesen<br />
und dann über die UI Engine einheitlich darstellen. Ist<br />
das jeweilige Bedienmenü über ein User Interface Plugin<br />
(UIP) realisiert, so liest der Client das UIP aus dem Server<br />
und bringt es Client-seitig zur Ausführung.<br />
Die beschriebene Abbildung des Feldgerätes über das<br />
Device-Objekt basiert im Wesentlichen auf den Inhalten<br />
des FDI Device Package. Daneben gibt es noch eine Reihe<br />
zusätzlicher Funktionen, die in Service-Objekten gekap-<br />
BILD 7: Device Object Type<br />
BILD 8: Action Set<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012<br />
63
HAUPTBEITRAG<br />
BILD 9:<br />
Functional Group<br />
BILD 10: Locking Services<br />
ert werden, sodass der FDI-Server nach Ablauf der Renew-<br />
Dauer die Instanz freigeben kann. Eigenschaften wie<br />
LockedStatus oder LockingUser geben Auskunft über<br />
bestehende Locks.<br />
Sollen Änderungen an den Geräteparametern zunächst<br />
in einer Sandbox ausgeführt werden, so geschieht dies<br />
über die EditMode Services Enter, Exit und AbortEdit-<br />
Mode (Bild 11). Über EnterEditMode wird dabei ein serverinternes,<br />
temporäres Abbild der Geräteparameter<br />
erzeugt. Alle weiteren Änderungen erfolgen auf diesem<br />
Abbild. ExitEditMode veranlasst, dass die Änderungen<br />
zum Gerät kommuniziert werden. Danach werden die<br />
Änderungen des temporären Abbildes in das Informationsmodell<br />
übernommen und sind auch <strong>für</strong> andere<br />
Clients sichtbar. Mittels AbortEditMode können die<br />
Änderungen verworfen werden. In diesem Fall wird das<br />
temporäre Abbild gelöscht.<br />
Die DirectDeviceAccess-Services ermöglichen die<br />
direkte Kommunikation mit dem Gerät (Bild 12). Über<br />
InitDeviceAccess wird eine Kommunikationsverbindung<br />
zum Feldgerät aufgebaut. Über den Transfer-<br />
Service können Datenpakete mit dem Gerät ausgetauscht<br />
werden. Mittels EndDirectAccess wird eine bestehende<br />
Kommunikationsverbindung beendet.<br />
FAZIT<br />
Mit der OPC Unified Architecture steht eine flexible und<br />
vielseitige Middleware-Technologie zur Verfügung.<br />
Durch ihre Skalierbarkeit, Plattformunabhängigkeit und<br />
die enthaltenen IT-Security-Konzepte, wie Authentifizierung<br />
und Verschlüsselung, ist OPC UA hervorragend<br />
<strong>für</strong> die Automatisierungsdomäne geeignet. Mit FDI<br />
entsteht aktuell eine einheitliche Geräteintegrationstechnologie,<br />
die die Anforderungen der Endanwender<br />
[8] aufgreift und dementsprechend auf breiter Basis<br />
Unter stützung findet.<br />
Besonders hervorzuheben sind die Anwendung von<br />
OPC UA und die Definition eines offenen Informationsmodells<br />
<strong>für</strong> die Geräteintegration. Ermöglicht wird dies<br />
REFERENZEN<br />
[1] Mahnke, W., Leitner, S.-H., Damm, M.: OPC Unified<br />
Architecture, Springer, 2009<br />
[2] IEC 62541-1 OPC Unified Architecture – Part 1:<br />
Overview and Concepts, February 2010<br />
[3] Ginter, A.: The Stuxnet Worm and Options for<br />
Remediation, Industrial Defender, Inc., 2010<br />
[4] PLCopen and OPC Foundation: OPC UA Information<br />
Model for IEC 61131-3, Version 1.00, March 2010<br />
[5] OPC Foundation: OPC Unified Architecture Companion<br />
Specification for Analyser Devices, Version 1.00,<br />
October 2009<br />
[6] OPC Foundation: OPC Unified Architecture for Devices<br />
(DI), Version 1.00, December 2009)<br />
[7] Großmann, D.: Offene Integrationsplattform <strong>für</strong> das<br />
Feldgeräte-Management. Sierke Verlag, Göttingen 2008.<br />
[8] NE 105: Anforderungen an die Integration von<br />
Feldbus-Geräten in Engineering-Tools <strong>für</strong> Feldgeräte,<br />
NAMUR. September 2008<br />
[9] NE 107: Selbstüberwachung und Diagnose von<br />
Feldgeräten, NAMUR. Juni 2006<br />
64<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
BILD 11: Edit Mode Services<br />
BILD 12: Direct Access Services<br />
durch die OPC-UA-Technologie, die die Basis <strong>für</strong> die<br />
Informationsmodellierung schafft, und über die im FDI<br />
Device Package genutzten Beschreibungstechnologien,<br />
die es dem FDI-Server erlauben, das Informationsmodell<br />
mit Inhalten zu füllen.<br />
Durch die Nutzung von OPC UA in FDI wird es in<br />
Zukunft möglich sein, spezifische Clients zu entwickeln,<br />
AUTOREN<br />
Dr.-Ing. DANIEL GROSSMANN<br />
(geb. 1977) arbeitet im ABB<br />
Forschungszentrum auf dem<br />
Gebiet der intelligenten Feldgeräte<br />
und industriellen<br />
Kommunikation. Er leitet das<br />
FDI Tools & Components<br />
Architecture Team. Er studierte<br />
Maschinenbau an der Technischen<br />
Universität München und promovierte an der<br />
Technischen Universität München am Lehrstuhl<br />
<strong>für</strong> Informationstechnik im Maschinenwesen<br />
(Prof. Bender) im Bereich Geräteintegration.<br />
ABB AG, Automation Device Technologies,<br />
Wallstadter Straße 59, D-68526 Ladenburg,<br />
Tel. +49 (0) 6203 71 62 55,<br />
E-Mail: daniel.grossmann@de.abb.com<br />
die über den FDI Server und das darin enthaltene offene<br />
Informationsmodell auf Gerätedaten und Funktionen<br />
zugreifen. Diese Offenheit ist der Schlüssel <strong>für</strong> die verbreitete<br />
Nutzung der umfangreichen Gerätedaten und<br />
-funktionen – ein Potenzial, das derzeit noch weitgehend<br />
ungenutzt ist.<br />
MANUSKRIPTEINGANG<br />
21.05.2012<br />
Dr.-Ing. WOLFGANG MAHNKE (geb. 1971)<br />
arbeitet als Software-Architekt bei der<br />
ABB Automation GmbH im Bereich der<br />
Geräteintegration. Davor arbeitete er im<br />
ABB Forschungszentrum auf dem Gebiet<br />
der Industriellen Softwaresysteme.<br />
Er ist Editor von Teil 3 (Adressraummodel)<br />
und Teil 5 (Informationsmodell) der<br />
OPC-UA-Spezifikation und Autor des<br />
ersten Buchs über OPC UA. Mahnke ist Mitglied des Technical<br />
Advisory Council der OPC Foundation und des OPC<br />
Europe Advisory Board. Er studierte Informatik an der<br />
Universität von Stuttgart und promovierte an der Technischen<br />
Universität Kaiserslautern im Bereich Datenbanken<br />
und Informationssysteme.<br />
ABB AG, Industrial Software Systems,<br />
Kallstadter Straße 1, D-68309 Mannheim<br />
Tel. +49 (0) 6203 71 62 55,<br />
E-Mail: wolfgang.mahnke@de.abb.com<br />
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012<br />
65
IMPRESSUM / VORSCHAU<br />
IMPRESSUM<br />
VORSCHAU<br />
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Rosenheimer Straße 145<br />
D-81671 München<br />
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Spartenleiter:<br />
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Herausgeber:<br />
Dr. T. Albers<br />
Dr. G. Kegel<br />
Dipl.-Ing. G. Kumpfmüller<br />
Dr. N. Kuschnerus<br />
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Dr.-Ing. K. D. Bettenhausen<br />
Prof. Dr.-Ing. Ch. Diedrich<br />
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Prof. Dr.-Ing. A. Fay<br />
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Dr.-Ing. J. Kiesbauer<br />
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Dr. J. Nothdurft<br />
Dr.-Ing. J. Papenfort<br />
Dr. A. Wernsdörfer<br />
Dipl.-Ing. D. Westerkamp<br />
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(VDI/VDE-Gesellschaft Messund<br />
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und der NAMUR<br />
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Redaktion:<br />
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Prof. Dr.-Ing. Leon Urbas<br />
(Chefredakteur, verantwortlich<br />
<strong>für</strong> die Hauptbeiträge)<br />
Technische Universität Dresden<br />
Fakultät Elektrotechnik<br />
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Gedruckt auf chlor- und<br />
säurefreiem Papier.<br />
Die <strong>atp</strong> wurde 1959 als „Regelungstechnische<br />
Praxis – rtp“ gegründet.<br />
© 2012 Oldenbourg Industrieverlag<br />
GmbH München<br />
Die Zeitschrift und alle in ihr enthaltenen<br />
Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich<br />
geschützt. Mit Ausnahme der<br />
gesetzlich zugelassenen Fälle ist eine<br />
Verwertung ohne Ein willigung des Verlages<br />
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 />
Oldenbourg Industrieverlag GmbH,<br />
Rosenheimer Straße 145, 81671 München.<br />
Alleiniger Gesellschafter des Verlages<br />
ist die ACM-Unternehmensgruppe,<br />
Ostring 13,<br />
65205 Wiesbaden-Nordenstadt.<br />
ISSN 2190-4111<br />
DIE AUSGABE 12 / 2012 DER<br />
ERSCHEINT AM 17.12. 2012<br />
MIT FOLGENDEN BEITRÄGEN:<br />
Wechsel des<br />
Anforderungsprofils von<br />
Software<br />
Beherrschung von Semantikvielfalt<br />
mit AutomationML<br />
OPC UA and ISA 95.<br />
Interoperability for MES by<br />
implementing ISA 95 with<br />
OPC UA<br />
Integriertes Engineering mit<br />
dem Automation Service Bus<br />
Automatisierung mit FASA<br />
...und vielen weiteren Themen.<br />
Aus aktuellem Anlass können sich die Themen<br />
kurzfristig verändern.<br />
LESERSERVICE<br />
E-MAIL:<br />
leserservice@oiv.de<br />
TELEFON:<br />
+ 49 (0) 931 4170-1615<br />
66<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
11 / 2012
In der Chemie und Petrochemie werden<br />
an das technische Equipment höchste<br />
Anforderungen gestellt: Klimafestigkeit <strong>für</strong><br />
den Einsatz im On- und Offshore-Betrieb,<br />
hohe Kontakt- und Vibrationsfestigkeit<br />
sowie schnelle Montage und Handhabung<br />
zur Verkürzung von Installationsund<br />
Wartungszeiten sind nur einige<br />
Herausforderungen. Die Zuverlässigkeit,<br />
Qualität und das einfache Handling der<br />
eingesetzten Produkte spielt deshalb eine<br />
entscheidende Rolle.<br />
Reihenklemmenprogramm<br />
von 0,08 -95 mm 2<br />
WAGO-I/O-IPC<br />
Zuverlässige Lösungen - approbierte Produkte<br />
WAGO-Process-Automation<br />
WAGO-I/O-SYSTEM<br />
Explosive Umgebung –<br />
Gelassenheit mit CAGE CLAMP ®<br />
WAGO-Komponenten, mit der universellen<br />
CAGE CLAMP ® -Anschlusstechnik, bewähren<br />
sich im täglichen Einsatz auch unter<br />
Extrembedingungen. Aktuelle Zulassungen<br />
<strong>für</strong> den Einsatz in explosionsgefährdeten<br />
Bereichen, ausgewählte Kunststoffe und<br />
Materialien <strong>für</strong> den Einsatz in aggressiven<br />
Umgebungsmedien sowie sichere und<br />
wartungsfreie Anschlusstechnik sind<br />
Anforderungen, denen sich WAGO seit<br />
Jahren stellt – mit Sicherheit!<br />
WAGO-SPEEDWAY,<br />
modulares I/O-System IP67<br />
TO-PASS ® -Fernwirkmodul<br />
und GPRS-Modem<br />
Stromversorgungen<br />
JUMPFLEX ®<br />
Messumformer/Relais- und<br />
Optokopplerbausteine
Die Serie 857 bringt<br />
jedes Signal in Form!<br />
Feldbusunabhängig<br />
in den Ex-Bereich!<br />
Messumformer und Relaisbausteine -<br />
Eine komplette Produktfamilie!<br />
Kompromisslos kompakt:<br />
Platzgewinn durch „echte“ 6,0mm-Baubreite<br />
Brücken statt einzeln verdrahten:<br />
Brückbarkeit durch Konturengleichheit auf allen<br />
Anschlussebenen<br />
Für extreme Anwendungen:<br />
Neue Einsatzgebiete durch erweiterten Temperaturbereich<br />
von -25° C bis + 70° C<br />
Höchste Sicherheit:<br />
„Sichere 3-Wege-Trennung“ mit 2,5kV-Prüfspannung<br />
Flexibilität pur:<br />
Konfiguration per DIP-Schalter Eine Vielzahl der<br />
Messumformer sind zusätzlich per Software einstellbar<br />
Das WAGO-I/O-SYSTEM 750 - Your intelligent link<br />
between field and control system<br />
…adapts best<br />
Kompakt, Flexibel & Modular:<br />
Kleinste, feldbusunabhängige Steuerung (SPS)<br />
Programmierbar gemäß IEC 61131-3<br />
Über 400 verschiedene I/O-Module<br />
Standard-I/O- und Ex i-Module kombinierbar<br />
Einspeisungen verschiedener Potentiale in einem Knoten<br />
Unterstützung der Fernwirkprotokolle IEC 60870 und IEC 61850<br />
Ausgelegt <strong>für</strong> den Ex-Bereich:<br />
Zugelassen <strong>für</strong> den Einsatz in Zone 2/22<br />
Ex i I/O-Module zum Anschluss eigensicherer Sensorik/Aktorik<br />
Zertifiziert gemäß ATEX, IECEx, UL ANSI/ISA 12.12.01, UL508,<br />
Schiffbau, GOST-R, etc.<br />
CAGE CLAMP ® -Technologie:<br />
Gasdichte Federklemmverbindung<br />
Vibrationsfest und wartungsfrei<br />
Hohe Anlagenverfügbarkeit und -zuverlässigkeit<br />
www.wago.com<br />
www.wago.com/ex