atp edition Zuverlässigkeit ein hohes Gut (Vorschau)
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10 / 2011<br />
53. Jahrgang B3654<br />
Oldenbourg Industrieverlag<br />
Automatisierungstechnische Praxis<br />
<strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung in<br />
frühen Entwicklungsphasen | 26<br />
Ausfallraten unter<br />
Feldbedingungen berechnen | 36<br />
Verfügbarkeitsberechnung von<br />
Automatisierungsnetzwerken | 44<br />
Energieautarker drahtloser<br />
Temperaturtransmitter | 54
editorial<br />
<strong>Zuverlässigkeit</strong> –<br />
<strong>ein</strong> <strong>hohes</strong> <strong>Gut</strong><br />
<strong>Zuverlässigkeit</strong> ist <strong>ein</strong>e Verhaltenseigenschaft, die sich in den Interaktionen<br />
mit anderen dadurch erweist, dass korrekt, robust und sicher auf Anforderungen<br />
oder turbulente Umgebungen reagiert wird. Korrekt reagiert <strong>ein</strong> System,<br />
wenn es s<strong>ein</strong>e funktionalen Anforderungen erfüllt. Robust ist <strong>ein</strong> System, wenn<br />
es trotz äußerer Störungen in <strong>ein</strong>em gegebenen Intervall immer noch s<strong>ein</strong>e Funktionen<br />
korrekt erfüllen kann. Sicher ist es, wenn – falls die korrekte Funktion<br />
nicht mehr gewährleistet werden kann – <strong>ein</strong> Zustand <strong>ein</strong>genommen wird, der<br />
die Gefahren auf <strong>ein</strong> Maß reduziert, das der allgem<strong>ein</strong> akzeptierten Risikobereitschaft<br />
entspricht.<br />
Bei Automatisierungskomponenten und den automatisierten Systemen ist hier<br />
bereits <strong>ein</strong> sehr hoher Standard erreicht. Dies gelang unter anderem, weil die<br />
<strong>Zuverlässigkeit</strong> nicht nur qualitativ, sondern auch mit quantitativen Aussagen<br />
<strong>ein</strong>deutig bewertet werden kann. Entsprechende Metriken definieren dafür die<br />
<strong>Zuverlässigkeit</strong>seigenschaften als Merkmale, die in den jeweiligen Anforderungen<br />
an die technischen Systeme gestellt werden können. Oft beruhen diese Merkmale<br />
auf Wahrsch<strong>ein</strong>lichkeits- und stochastischen Modellen. Klassiker sind<br />
Ausfallwahrsch<strong>ein</strong>lichkeiten und Verfügbarkeitsaussagen. Diese Kenngrößen<br />
gilt es also für die Systeme möglichst modellbasiert zu bestimmen.<br />
Während das für mechanische und elektrische Systeme zu den Standardaufgaben<br />
gehört, stellt es für elektronische und programmierbare elektronische<br />
Systeme nach wie vor <strong>ein</strong>e Herausforderung dar.<br />
Davon berichten die Beiträge „Verfügbarkeitsberechnung von Automatisierungsnetzwerken“<br />
und „Ausfallraten unter Feldbedingungen berechnen“. Ziel<br />
beider Aufsätze ist es, die <strong>Zuverlässigkeit</strong>smerkmale genau und mit vertretbarem<br />
Aufwand zu ermitteln. Hier sei erneut darauf hingewiesen, dass die Verfügbarkeit<br />
immer an Randbedingungen geknüpft ist, die im Sinne der Robustheit <strong>ein</strong>deutig<br />
bekannt s<strong>ein</strong> müssen. Bei der <strong>Zuverlässigkeit</strong>sbetrachtung von Software spielen<br />
die durch physikalische und betriebliche Prozesse be<strong>ein</strong>flussten Faktoren nicht<br />
die Hauptrolle. Vielmehr üben Fehler, die im Entwurf hin<strong>ein</strong>kommen, den entscheidenden<br />
Einfluss aus. Deshalb betrachtet der Beitrag „<strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung<br />
in frühen Entwicklungsphasen“ diese Phase sehr systematisch.<br />
Die Betriebsführung von verfahrenstechnischen Produktionsprozessen hat im<br />
hohen Maß die <strong>Zuverlässigkeit</strong> zu gewährleisten. Temperaturmessung ist dabei<br />
sicherlich <strong>ein</strong>es der häufigsten Prinzipien. In dem Beitrag „Energieautarker drahtloser<br />
Temperaturtransmitter“ wird vorgestellt, wie „Energy Harvesting“ <strong>ein</strong>en<br />
drahtlosen Betrieb von WirelessHart-Transmittern ermöglichen kann.<br />
Zu <strong>ein</strong>er zuverlässigen Produktion und zuverlässigen Komponenten gehören<br />
auch zuverlässige, also robuste und sichere Rahmenbedingungen – auch des Finanzsektors.<br />
Dieser sch<strong>ein</strong>t sich zurzeit nicht auf dem hohen Niveau der hier betrachteten<br />
technischen Systeme zu befinden. Vielleicht würden unsere ingenieurtechnischen<br />
Methoden für quantitative <strong>Zuverlässigkeit</strong>smerkmale (etwa Restnutzungsdauer<br />
<strong>ein</strong>es Wertpapiers), die in entsprechenden Beschreibungen verankert<br />
werden, dort positive Prozesse in Gang setzen.<br />
Interessantes Lesevergnügen mit verlässlichen Aussagen wünscht Ihnen<br />
Prof. Dr.-Ing<br />
Christian Diedrich,<br />
Stellvertretender Institutsleiter<br />
des Instituts für Automation und<br />
Kommunikation (ifak) e.V. Magdeburg<br />
und Lehrstuhl „Integrierte Automation“<br />
an der Otto-von-Guericke-Universität<br />
Magdeburg.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011<br />
3
Inhalt 10 / 2011<br />
Forschung<br />
6 | Karis organisiert den Materialfluss autonom<br />
DFKI dehnt Arbeit auf <strong>ein</strong>gebettete Intelligenz aus<br />
Cognitive Radio in der industriellen Automation<br />
7 | Mikrolaser bietet echtes Plus für FH-Studenten<br />
Steuerung für autonome Flugroboter entwickelt<br />
Verband<br />
8 | VDE|DKE verstärkt Zusammenarbeit mit<br />
südkoreanischer Normungsorganisation<br />
Obmann des UK 914.1 erhält den IEC 1906-Award<br />
AALE-Konferenz 2012 an der FH Aachen<br />
9 | Namur veranstaltet dritte Konferenz in China<br />
Vom Stand-alone-Sensor zum Messsystem<br />
branche<br />
10 | ZVEI: Auftrags<strong>ein</strong>gänge haben sich erholt<br />
Wie viel Sicherheit bieten Standardkomponenten?<br />
11 | Automatisierte Gebäude sparen drastisch Energie<br />
Automation 2012: Die Komplexität meistern<br />
12 | Blowmolding-Controller sorgt für optimales Produktionsergebnis<br />
14 | Lichtschranken sorgen für richtige Sortierung von Gepäck<br />
am schnellsten Flughafen der Welt<br />
18 | Mit Adam und Eva geht‘s sicher rund:<br />
Sensorpärchen verhilft Anlage zu Sicherheitsstandards<br />
22 | Mehr als nur Kosmetik: Remote-Monitore<br />
optimieren Fertigung von Schönheitsprodukten<br />
24 | Von der Chargensteuerung bis zur Sicherheit:<br />
Eine Softwareumgebung für alle Aufgaben<br />
4<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
FORM TRIFFT<br />
FUNKTION<br />
Hauptbeiträge<br />
26 | <strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung<br />
in frühen Entwicklungsphasen<br />
M. Wedel<br />
36 | Ausfallraten unter<br />
Feldbedingungen berechnen<br />
O. Koller, N. Jazdi, P. Göhner, U. Hipp,<br />
T. Liedtke und A. Mayer<br />
44 | Verfügbarkeitsberechnung von<br />
Automatisierungsnetzwerken<br />
K.-H. Niemann<br />
54 | Energieautarker drahtloser<br />
Temperaturtransmitter<br />
rubriken<br />
M. Ulrich, P. Nenninger und J. Nurnus<br />
3 | Editorial<br />
62 | Impressum, <strong>Vorschau</strong><br />
Überwachen und Steuern unter<br />
GMP-Bedingungen<br />
VisuNet GMP Bedienstationen von<br />
Pepperl+Fuchs kombinieren anspruchsvolles<br />
Design für den Einsatz in<br />
GMP-Umgebungen mit komfortabler<br />
Netzwerktechnologie.<br />
n Materialien, Oberflächengüte und<br />
mechanischer Aufbau für Anwendungen<br />
in regulierten Industrien<br />
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Tel.: +49 621 776-2222<br />
Fax: +49 621 776-272222<br />
E-Mail: pa-info@de.pepperl-fuchs.com<br />
www.pepperl-fuchs.de
forschung<br />
Karis organisiert den<br />
Materialfluss autonom<br />
Ein intelligentes, hochflexibles Materialflusssystem entwickelten<br />
Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie<br />
(KIT). Das System „Karis“ setzt sich aus kl<strong>ein</strong>en<br />
autonomen Elementen zusammen, die eigenständig den<br />
Materialfluss in Warenlagern oder Fertigungshallen optimieren<br />
und sich für anstehende Transportaufgaben auch<br />
zusammenschließen. Karis steht für kl<strong>ein</strong>skaliges, autonomes,<br />
redundantes Intralogistik-System.<br />
Konventionelle, fest installierte Systeme, wie Rollenförderer,<br />
entsprechen den heutzutage ständig wechselnden<br />
Anforderungen nur unzureichend – die Anpassung<br />
ist aufwendig und kostenintensiv. Weitaus flexibler und<br />
kostengünstiger als diese Systeme sollen künftig kl<strong>ein</strong>e,<br />
autonom agierende Transporteure den reibungslosen<br />
Transport von Objekten übernehmen, wie das nun mit<br />
Karis demonstriert wird.<br />
Dabei setzen die Wissenschaftler des KIT auf das Zusammenspiel<br />
kl<strong>ein</strong>er, schneller und von<strong>ein</strong>ander unabhängig<br />
agierender Elemente. Die <strong>ein</strong>zelnen Karis-Elemente<br />
haben die Grundfläche von <strong>ein</strong>em halben Quadratmeter<br />
Karis – autonome<br />
Elemente optimieren<br />
den Materialfluss<br />
in Fertigungshallen<br />
und Warenlagern.<br />
Foto: KIT<br />
und sind 40 cm hoch. Dank spezieller Sensortechnik sind<br />
die intelligenten Transport<strong>ein</strong>heiten in der Lage, sich autonom<br />
in ihrem Umfeld zu orientieren. Mittels gegenseitiger<br />
Abstimmung durch <strong>ein</strong>e WLAN-Komponente sind<br />
sie immer dann zur Stelle, wenn <strong>ein</strong> Transportauftrag<br />
ansteht. Für den Transport großer Objekte können sie sich<br />
auch zu Clustern verschiedener Größe ver<strong>ein</strong>en.<br />
KARLSRUHER INSTITUT FÜR TECHNOLOGIE,<br />
Kaiserstraße 12, D-76131 Karlsruhe,<br />
Tel. +49 (0) 721 60 80, Internet: www.kit.edu<br />
DFKI dehnt Arbeit auf <strong>ein</strong>gebettete Intelligenz aus<br />
Das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz<br />
(DFKI) erweitert s<strong>ein</strong>e Kompetenzen um den<br />
Forschungsbereich „Eingebettete Intelligenz“. Prof. Dr. Paul<br />
Lukowicz leitet den in Kaiserslautern ansässigen Bereich<br />
als Wissenschaftlicher Direktor. Die Forschungsschwerpunkte<br />
werden insbesondere auf dem Gebiet der vernetzten<br />
Sensor-Aktuatorsysteme und der energieeffizienten Nutzung<br />
von Systemen liegen. Drei neue Forschungslinien<br />
beschäftigen sich mit „cyber-physischen Systemen“, „Pervasive<br />
Computing“ und „Sozialen Interaktiven Systemen“.<br />
Bereits heute ist der Einsatz von intelligenten IT-Systemen<br />
und deren Vernetzung in allen Lebens- und Arbeitsbereichen<br />
möglich. Produkte mit neuen, integrierten Anwendungen<br />
und Funktionen können den Menschen intelligent unterstützen.<br />
Prof. Lukowicz gilt als <strong>ein</strong> international herausragender<br />
Wissenschaftler in diesem Bereich. Prof. Dr. Wolfgang<br />
Wahlster, Vorsitzender der Geschäftsführung des DFKI:<br />
„Durch die Gewinnung von Prof. Lukowicz haben wir nun<br />
die Chance, zusammen mit unserer SmartFactory und den<br />
laufenden Arbeiten zur Ressourcenschonung durch M2M-<br />
Kommunikation auf dem Gebiet der cyber-physischen Systeme<br />
im Bereich Industrie 4.0 zusammen mit unseren Gesellschaftern<br />
<strong>ein</strong>e führende Position <strong>ein</strong>zunehmen.“<br />
DEUTSCHES FORSCHUNGSZENTRUM<br />
FÜR KÜNSTLICHE INTELLIGENZ GMBH, DFKI,<br />
Trippstadter Straße 122, D-67663 Kaiserslautern,<br />
Tel. +49 (0) 631 20 57 50, Internet: www.dfki.de<br />
Cognitive Radio in der industriellen Automation<br />
Viele der künftigen Herausforderungen in der industriellen<br />
Funkkommunikation lassen sich mit Software Defined<br />
Radio und Cognitive Radio lösen. Zu diesem Ergebnis<br />
kommt <strong>ein</strong>e Studie, die das Institut für Automation und<br />
Kommunikation e.V. Magdeburg (Ifak) im Auftrag der Deutschen<br />
Forschungsgesellschaft für Automation und Mikroelektronik<br />
(DFAM) erstellt hat. Wünschenswert sind beispielsweise<br />
intelligente Funknetzwerke, die in der Lage<br />
sind, sich an die örtlichen Gegebenheiten anzupassen.<br />
Zudem nutzen Hersteller industrieller Funkgeräte Komponenten<br />
aus dem Consumer-Markt, um von der großen<br />
Stückzahl profitieren zu können. Die birgt aber <strong>ein</strong> <strong>hohes</strong><br />
Risiko hinsichtlich der Investitionen, da für industrielle<br />
Anlagen stabile Kommunikationssysteme über lange Zeit<br />
gefordert werden und die integrierten Komponenten even-<br />
tuell nicht langfristig verfügbar sind. Zudem Consumer-<br />
Lösungen oft nicht optimal auf industrielle Anforderungen<br />
abgestimmt. Flexible, rekonfigurierbare Funknetzwerke<br />
könnten hier Abhilfe schaffen.<br />
Die Studie zeigt deutlich, dass die Technologien Software<br />
Defined Radio und Cognitive Radio das Potenzial<br />
haben, die genannten Herausforderungen zu lösen. Auf 274<br />
Seiten werden technische, ökonomische und regulatorische<br />
Aspekte sowie Gesichtspunkte der Standardisierung<br />
und Zertifizierung beleuchtet.<br />
Deutsche Forschungsgesellschaft für Automatisierung<br />
und Mikroelektronik e.V. (DFAM),<br />
Lyoner Straße 18, D-60528 Frankfurt,<br />
Tel.: +49 (0) 69 66 03 13 15, E-Mail: klaus.zimmer@vdma.org<br />
6<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
ARCA_Ins_ECOTROL_D_90x260.qxd<br />
Mikrolaser bietet echtes<br />
Plus für FH-Studenten<br />
Der Fachbereich Technik der Fachhochschule Brandenburg<br />
ist stolz auf s<strong>ein</strong>en neuen Laser, der mit extrem<br />
kurzen Lichtimpulsen arbeitet. So sei es den Eingeschriebenen<br />
des Bachelor-Studiengangs „Mikrosystemtechnik<br />
und Optische Technologien“ (MIOP) nun<br />
möglich mithilfe des Geräts, <strong>ein</strong>en Streichholzkopf zu<br />
gravieren, ohne dass er zündet. Der Mikrolaser ist der<br />
<strong>ein</strong>zige s<strong>ein</strong>er Art im Raum Berlin-Brandenburg und bietet<br />
für die Fachhochschul-Absolventen <strong>ein</strong>en Mehrwert<br />
in ihrer Ausbildung. Die Schulung an dem Mikromaterialbearbeitungslaser<br />
Trumicro Serie 5000 soll die Studenten<br />
auf Anwendungen in den Bereichen Medizintechnik,<br />
Halbleitertechnik, Solarenergie oder Automobilproduktion<br />
vorbereiten. Die zur Überprüfung der<br />
Ergebnisse erforderliche Messtechnik in Form von Rasterelektronenmikroskop<br />
und Weißlichtinterferometer ist<br />
an der Fachhochschule ebenfalls vorhanden.<br />
Fachhochschule BRandenburg,<br />
Magdeburger Straße 50,<br />
D-14770 Brandenburg an der Havel,<br />
Tel. +49 (0) 3381 35 50,<br />
Internet: www.fh-brandenburg.de<br />
Steuerung für autonome<br />
Flugroboter entwickelt<br />
Eine Software, die es ermöglicht, Flugroboter über kurze<br />
Strecken selbständig fliegen zu lassen, entwickelten<br />
zwei Studenten der Hochschule Harz in Wernigerode.<br />
Georg Richter und Stefan Winkler entwarfen in der Projektarbeit<br />
<strong>ein</strong>e Schnittstelle, die aus dem Fluggerät aktuelle<br />
Flugdaten auslesen und neue Steuerbefehle senden<br />
kann. Die Fluggeräte, so genannte Multikopter, stammen<br />
aus dem Labor Mobile Systeme des Fachbereich Automatisierung<br />
und Informatik der Hochschule. Sie sind mit<br />
acht Proppellern und zusätzlicher Hardware ausgestattet.<br />
Die Ausrüstung ermöglicht den fliegenden Robotern<br />
die Kommunikation mit der Bodenstation. Zu dieser<br />
Station gehören <strong>ein</strong> Laptop mit <strong>ein</strong>em ebenfalls in diesem<br />
Projekt entwickelten Programm.<br />
Die für den Flugroboter anzusteuernden Wegpunkte<br />
werden in <strong>ein</strong>e Landkarte <strong>ein</strong>getragen. Ein GPS-Empfänger<br />
ermöglicht dem Fluggerät, die Strecke dann abzufliegen<br />
und an markierten Punkten Aufgaben auszuführen.<br />
Ein Pilot mit herkömmlicher Steuerung wird nur benötigt,<br />
um zu starten und zu landen oder im Notfall <strong>ein</strong>zugreifen.<br />
Ziel dieser Projektarbeit ist die Schaffen von<br />
Grundlagen für das autonome Fliegen. Mit Hilfe von<br />
Kameras oder anderen Sensoren sollen dann komplexere<br />
Aufgaben, wie beispielsweise Objekterkennung und<br />
-vermessung in der Luft übernommen werden.<br />
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Argumente, die sich<br />
nicht verstecken lassen:<br />
● hohe <strong>Zuverlässigkeit</strong> garantiert durch<br />
sorgfältige Auslegung, Fertigung<br />
und Qualitätskontrolle<br />
● innere und äußere Dichtheit nach<br />
höchsten internationalen Standards<br />
● rohrloser, integrierter Anbau<br />
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nach VDI 3847<br />
● minimiert die Lebenszykluskosten<br />
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VDE|DKE verstärkt Zusammenarbeit mit<br />
südkoreanischer Normungsorganisation<br />
Die DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik<br />
Informationstechnik im DIN und VDE<br />
(VDE|DKE) hat <strong>ein</strong> Memorandum of Understanding mit<br />
dem südkoreanischen Verband für elektrische Installation<br />
Korea Electric Association (KEA) unterzeichnet.<br />
Hintergrund der Kooperation ist die geplante Adaption<br />
der Struktur der Normenreihe DIN VDE 0100 zum Errichten<br />
von Niederspannungsanlagen in das südkoreanische<br />
Normungswerk, mit der die KEA beauftragt ist.<br />
Chun-Jin Park, stellvertretender Vorsitzender von KEA,<br />
unterstrich die Absicht, künftig zusammen mit der DKE<br />
Normungsvorhaben im Bereich der elektrischen Installationstechnik<br />
voranzutreiben. „Mit dieser Kooperation<br />
verstärken wir unsere internationale Zusammenarbeit<br />
mit Südkorea. Eine Partnerschaft besteht auch mit der<br />
koreanischen Normungsorganisation Korean Agency<br />
for Technology and Standards (KATS). Seit Februar<br />
2011 unterstützt <strong>ein</strong> Experte von KATS die Abteilung<br />
Dr.-Ing.<br />
Bernhard<br />
Thies, Sprecher<br />
der DKE-Geschäftsführung<br />
für internationale Normungsaktivitäten<br />
der DKE, um die internationale<br />
Normung im Bereich Smart Grid<br />
und Elektromobilität mit Südkorea<br />
zu intensivieren“, so Dr.-Ing. Bernhard<br />
Thies, Sprecher der DKE-Geschäftsführung.<br />
2009 hat die DKE<br />
mit dem südkoreanischen Zentralverband<br />
der Elektrotechnik, Korea<br />
Electrical Manufacturers Association<br />
(KOEMA), <strong>ein</strong> Memorandum of Understanding unterzeichnet<br />
mit dem Schwerpunkt der Informationstechnologie<br />
im Umfeld der Stromversorgung.<br />
DKE DEUTSCHE KOMMISSION ELEKTROTECHNIK<br />
ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK IM DIN UND VDE,<br />
Stresemannallee 15, D-60596 Frankfurt am Main<br />
Tel. +49 (0) 69 630 80, Internet: www.dke.de<br />
Obmann des UK 914.1 erhält den IEC 1906-Award<br />
Dr. Wolfgang Stripf wurde jüngst mit dem IEC<br />
1906-Award ausgezeichnet. Damit werden s<strong>ein</strong>e Verdienste<br />
als Obmann des UK 914.1 bei der Erarbeitung der<br />
IEC 61784-3-Reihe gewürdigt. Dr. Gerhard Dreger, stellvertretender<br />
Geschäftsführer der DKE, überreichte die<br />
Auszeichnung.<br />
Der erste Teil der IEC 61784-3-Reihe, als DIN EN 61784-3<br />
(VDE 0803-500) in das deutsche Normenwerk übernommen,<br />
beschreibt die Grundlagen der sicherheitsgerichteten<br />
Kommunikationstechnik und setzt das „Black-<br />
Channel“-Prinzip der IEC 61508 um. Damit ist es möglich,<br />
beispielsweise Abschaltbefehle für gefahrbringende<br />
Bewegungen an Maschinen sicher über <strong>ein</strong>en Feldbus<br />
nach IEC 61158/61784 zu führen.<br />
Die IEC 61784-3 wurde in der IEC SC 65C WG 12<br />
unter maßgeblicher Mitarbeit von Dr. Stripf und anderen<br />
Mitarbeitern des UK 914.1 erarbeitet. Ausgangs-<br />
punkt für die deutschen Beiträge war dabei jeweils die<br />
zuvor stattfindende fachliche Diskussion in diesem<br />
Unterkomitee der DKE.<br />
Gegenstand s<strong>ein</strong>er Arbeiten sind auch andere sicherheitsgerichtete<br />
Kommunikationssysteme, wie EN 50325-5,<br />
sowie das Umfeld, das für <strong>ein</strong>e sicherheitsgerichtete Kommunikation<br />
aufrechterhalten werden muss. UK 914.1 hat<br />
deshalb die Erarbeitung der IEC 61000-6-7 im IEC TC 77<br />
„Electromagnetic compatability“ veranlasst (siehe K 767).<br />
Ihr Ziel ist die Harmonisierung von EMV-Vorschriften für<br />
Gerätetechnik, die an der Ausführung von Sicherheitsfunktionen<br />
beteiligt ist.<br />
DKE DEUTSCHE KOMMISSION ELEKTROTECHNIK<br />
ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK IM DIN UND VDE,<br />
Stresemannallee 15, D-60596 Frankfurt am Main,<br />
Tel. +49 (0) 69 630 80, Internet: www.dke.de<br />
AALE-Konferenz 2012 an der FH Aachen<br />
Die AALE, die Konferenz für angewandte Automatisierungstechnik<br />
in Lehre und Entwicklung an Fachhochschulen,<br />
findet am 3. und 4. Mai 2012 an der FH Aachen<br />
statt. Unterstützt vom Förderver<strong>ein</strong> VFAALE ist sie das<br />
Forum, auf dem sich Professoren der Automatisierungstechnik<br />
oder verwandter Gebiete, etwa der Handhabungsoder<br />
Prozesstechnik austauschen und aktuelle Themen<br />
diskutieren können.<br />
Wichtige Aspekte sind das Gespräch und die Zusammenarbeit<br />
mit Partnern aus Industrie und Lehre, die unter anderem<br />
als Aussteller auf der AALE vertreten s<strong>ein</strong> werden.<br />
Übersichts- und Fachvorträge runden den Kongress ab.<br />
Die Verleihung des AALE Student Award bildet die<br />
Brücke zum Studium: Es werden wieder Absolventen<br />
mit herausragenden Bachelor- beziehungsweise Master-<br />
Arbeiten in der Automatisierungstechnik ausgezeichnet.<br />
Informationen zum Einreichen von Beiträgen (Call<br />
for Papers), zur Ausstellung, zum Student Award<br />
und zur Kongress-Anmeldung sind zu finden unter:<br />
www.fh-aachen.de/aale2012.<br />
VEREIN DER FREUNDE UND FÖRDERER DER<br />
ANGEWANDTEN AUTOMATISIERUNGSTECHNIK<br />
AN FACHHOCHSCHULEN (VFAALE E.V.),<br />
c/o Fachhochschule Düsseldorf,<br />
Fachbereich Elektrotechnik,<br />
Josef-Gockeln-Str. 9, D-40474 Düsseldorf,<br />
Tel. +49 (0) 211 435 13 08, Internet: www.vfaale.de<br />
8<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
Namur veranstaltet dritte<br />
Konferenz in China<br />
Namur comes to China lautete das Motto der ersten<br />
Namur-Konferenz im asiatischen Wirtschaftsraum,<br />
die 2009 in Shanghai stattfand. Sie sollte vor<br />
allem den Anwendern von Automatisierungstechnik<br />
in der Prozessindustrie <strong>ein</strong>e Plattform zum Erfahrungsaustausch<br />
in dieser so wichtigen Wirtschaftsregion<br />
bieten. Die zweite Namur-Konferenz in China<br />
hatte im November 2010 bereits deutlich über 100 Teilnehmer.<br />
Inzwischen sind die Arbeitskreise in China<br />
etabliert – sie werden im November, bei der dritten<br />
Namur-Konferenz über ihre Aktivitäten berichten. Dabei<br />
werden Themen aufgegriffen, die die Teilnehmer<br />
2010 als bedeutsam für die chinesische Automatisierungstechnik<br />
gesehen haben.<br />
Als Partner für die chinesische Konferenz hat die Namur<br />
das Unternehmen Hima gewählt, mit dem die Namur die<br />
Hauptsitzung 2010 in Deutschland gestaltet hatte. Die Veranstaltung<br />
– erneut in Shanghai – verspricht, wieder <strong>ein</strong><br />
wichtiger Treffpunkt der Automatisierungsfachleute zu<br />
werden. Sie findet statt am 23. und 24. November.<br />
NAMUR-GESCHÄFTSSTELLE,<br />
c/o Bayer Technology Services GmbH,<br />
Gebäude K 9, D-51368 Leverkusen,<br />
Tel. +49 (0) 214 307 10 34, Internet: www.Namur.de<br />
Vom Stand-alone-Sensor<br />
zum Messsystem<br />
Multifunktionales<br />
System aus <strong>ein</strong>er<br />
Infrarot-LED und zwei<br />
Sensoren (rechts und<br />
links vorne) sowie<br />
<strong>ein</strong>er Kamera.<br />
Bild: Fraunhofer IZM<br />
Die Fachtagung „Sensoren<br />
und Messsysteme“ ist seit<br />
ihrer Begründung im Jahr<br />
1982 zur bedeutendsten<br />
deutschsprachigen wissenschaftlichen<br />
Veranstaltung im<br />
Bereich der Sensorik geworden.<br />
Standen anfangs Sensoren<br />
und ihre Technologien im<br />
Vordergrund, so verlagerte<br />
sich das Interesse zuletzt zunehmend<br />
auf die Einbindung<br />
von Sensoren in Messsysteme<br />
und deren Anwendung.<br />
Schwerpunkte sollen 2012<br />
Sensoren und Sensorsysteme für den industriellen Einsatz<br />
s<strong>ein</strong>, etwa bildgebende Sensoren, Sensorarrays, Sensoren<br />
für die Medizin und Biotechnologie, spektroskopische<br />
und energieautarke Sensoren, aber auch Nanosensoren<br />
oder Sensoren auf der Basis neuer Materialien.<br />
Die Tagung findet am 22. und 23. Mai 2012 parallel zur<br />
Messe Sensor+Test in Nürnberg statt. Weitere Informationen<br />
unter www.sensoren2012.de.<br />
VDI/VDE-GESELLSCHAFT MESS- UND<br />
AUTOMATISIERUNGSTECHNIK,<br />
VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,<br />
Tel. +49 (0) 211 621 40, Internet: www.vdi.de<br />
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www.beckhoff.de/EtherCAT-System<br />
Beckhoff EtherCAT-Komponenten: Schnell, fl exibel, kostenoptimiert.<br />
Industrie-PC: PCs in verschiedenen Formfaktoren<br />
EtherCAT-Klemmen: IP-20-I/Os für alle Signaltypen<br />
EtherCAT Box: IP-67-I/Os direkt im Feld<br />
TwinCAT: Automationssoftware für Multi-SPS, NC, CNC<br />
TwinSAFE: Safety-SPS in der I/O-Klemme
anche<br />
Virtuelle Inbetriebnahme – die aktuellen Trends<br />
Im Heft 4/2012 der <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> möchten<br />
wir aktuelle Entwicklungen in der Automatisierungstechnik<br />
zur virtuellen Inbetriebnahme<br />
in Prozess- und Fertigungsindustrie<br />
darstellen und diskutieren. Themen reichen<br />
von der systematischen Nutzung der virtuellen<br />
Inbetriebnahme zum Test von Teilsystemen<br />
in frühen Phasen und zum Test des<br />
Gesamtsystems zum Abschluss der Planung<br />
über integrierte Planungs- und Simulationsmodelle<br />
bis zu Trainings-Simulatoren<br />
und mobilen Unterstützungssystemen.<br />
Wir bitten Sie, bis zum 15. Dezember zu diesem<br />
Themenschwerpunkt <strong>ein</strong>en gemäß <strong>atp</strong>-<br />
Autorenrichtlinien ausgearbeiteten Beitragsvorschlag<br />
per E-Mail an urbas@oiv.de<br />
<strong>ein</strong>zureichen. Idealerweise nehmen Sie Bezug<br />
auf die zu diesem Komplex erschienenen<br />
Beiträge in <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> 6/2011. Ziel Ihres Beitrags<br />
soll der Brückenschlag zwischen aktuellen<br />
Erkenntnissen und Innovationen,<br />
methodischen Grundlagen und künftigen<br />
Anwendungen in der industriellen Praxis<br />
s<strong>ein</strong>. Ansprechen soll Ihr Aufsatz technische<br />
Führungskräfte, Entscheider und Key Experts<br />
der Automatisierungsbranche.<br />
Alle Beiträge werden von <strong>ein</strong>em Fachgremium<br />
begutachtet. Möchten Sie sich aktiv an<br />
dem Begutachtungsprozess beteiligen, nehmen<br />
Sie bitte Kontakt mit uns auf.<br />
Ihre Redaktion der <strong>atp</strong> <strong>edition</strong>:<br />
Leon Urbas, Gerd Scholz, Anne Hütter<br />
Call for<br />
Aufruf zur Beitrags<strong>ein</strong>reichung<br />
Thema: Virtuelle Inbetriebsetzung in<br />
Prozess- und Fertigungsindustrie<br />
Kontakt: urbas@oiv.de<br />
Termin: 15. Dezember 2011<br />
ZVEI: Auftrags<strong>ein</strong>gänge haben sich erholt<br />
Nach <strong>ein</strong>em Rückgang im Juni um acht Prozent sind die<br />
Auftrags<strong>ein</strong>gänge in der deutschen Elektronindustrie<br />
im Juli wieder gestiegen und übertrafen ihr Vorjahresniveau<br />
um zwei Prozent. Kumuliert von Januar bis Juli 2011 belief<br />
sich das Auftragsplus auf 14 Prozent gegenüber Vorjahr. Umsatz<br />
und die um Preiseffekte ber<strong>ein</strong>igte Produktion lagen im<br />
Juli sechs und 14 Prozent höher als vor <strong>ein</strong>em Jahr, wie der<br />
ZVEI mitteilte. „Nach der Stagnation der Erlöse im Vormonat<br />
setzt die Branche jetzt ihren Wachstumskurs gemäßigter<br />
fort“, sagte ZVEI-Chefvolkswirt Dr. Andreas Gontermann.<br />
Im Gesamtzeitraum zwischen Januar und Juli 2011 beliefen<br />
sich Umsatz- und Produktionszuwachs auf zehn und 15<br />
Prozent gegenüber Vorjahr. Sorgen bereitet Gontermann zunehmend<br />
der massive Anstieg der Preise auf dem von China<br />
dominierten Markt für Seltene Erden.<br />
Im ersten Halbjahr hatte die deutsche Elektroindustrie<br />
mit 74 Mrd. Euro (plus zwölf Prozent) <strong>ein</strong>en neuen Exportrekord<br />
aufgestellt. Das Geschäftsklima in der deutschen<br />
Elektroindustrie ist im August unter<br />
dem Eindruck des schwächelnden<br />
weltwirtschaftlichen Umfeldes erneut<br />
etwas zurückgegangen. Sowohl<br />
die Beurteilung der aktuellen Geschäftslage<br />
als auch die Erwartungen<br />
für die kommenden sechs Monate<br />
sind dabei gegenüber Juli leicht<br />
nach unten korrigiert worden. Allerdings<br />
gehen 86 Prozent der Elektrofirmen<br />
von weiter anziehenden oder<br />
stabilen Geschäften im nächsten<br />
halben Jahr aus.<br />
ZVEI – ZENTRALVERBAND ELEKtROTECHNIK-<br />
UND ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V.,<br />
Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main,<br />
Tel. +49 (0) 69 630 20, Internet: www.zvei.org<br />
Dr. Andreas<br />
Gontermann:<br />
„Die Branche<br />
setzt ihren<br />
Wachstumskurs<br />
gemäßigter fort“<br />
Wie viel Sicherheit bieten Standardkomponenten?<br />
Der wirtschaftliche Aufschwung dürfte auch die Messe<br />
SPS/IPC/Drives prägen. Nach 1323 Ausstellern im Vorjahr<br />
erwartet Veranstalter Mesago für 2011 rund 1400 Firmen<br />
in Nürnberg. Hinter dieser Steigerung steht das stärkere<br />
internationale Interesse: Letzten Schätzungen zufolge<br />
werden 40 Länder vertreten s<strong>ein</strong>, darunter 370 Aussteller<br />
aus dem Ausland. 2010 nahmen 315 ausländische Aussteller<br />
aus rund 30 Ländern teil. Erstmals werden 2011 zwölf<br />
Messehallen belegt. Die Ausstellungsfläche wächst von<br />
rund 94 000 auf über 100 000 Quadratmeter.<br />
Parallel zur Messe vom 22. bis 24 November findet wieder<br />
<strong>ein</strong> begleitender Kongress statt. Neu im Kongressprogramm<br />
der SPS/IPC/Drives 2011 sind vier speziell <strong>ein</strong>gerichtete<br />
Anwendersessions, in denen Anwender vorstellen,<br />
wie spezifische Applikationen innovativ und kreativ<br />
realisiert wurden. Sie laden zum intensiven Dialog zwi-<br />
schen Kongressbesuchern und Anwendern <strong>ein</strong> und versprechen<br />
interessante Erfahrungsberichte direkt vom<br />
anwendenden Unternehmen. Das Programm des Kongresses<br />
umfasst 69 Vorträge zu Themen der elektrischen Automatisierung,<br />
<strong>ein</strong>e Trendsession sowie drei Tutorials.<br />
In der diesjährigen Trendsession diskutieren Vertreter<br />
der Firmen Siemens, Beckhoff, Bosch Rexroth, Kuka, Homag<br />
und 3S über das Thema „Sicherheit der PC-basierten<br />
Steuerung“. Ebenfalls beleuchtet wird die Eignung von<br />
kostengünstigsten Standardkomponenten für den Einsatz<br />
bei Anwendungen mit funktionaler Sicherheit (safety), sowie<br />
die Sicherheit gegen ungewollte Zugriffe (security).<br />
MESAGO MESSEMANAGEMENT GMBH,<br />
Rotebühlstr. 83-85, D-70178 Stuttgart,<br />
Tel. +49 (0) 711 61 94 60, Internet: www.mesago.de<br />
10<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
NAMUR-Signal reicht<br />
Automatisierte Gebäude<br />
sparen drastisch Energie<br />
Eine im Auftrag des ZVEI erarbeitete Studie der<br />
Hochschule Biberach hat im Praxisbetrieb nachgewiesen,<br />
dass Gebäudeautomatisierung den Energieverbrauch<br />
bis zu 50 Prozent reduziert. Für die zweijährige<br />
Feldstudie hatte die Hochschule die Steuerung der<br />
Heizung, der Lüftung, der Beleuchtung und anderer<br />
Energieverbraucher in Vergleichsräumen vollständig,<br />
teilweise oder gar nicht automatisiert und den tatsächlichen<br />
Energieverbrauch gemessen. Beim mittleren<br />
Automatisierungsgrad wurden 21 Prozent und bei hohem<br />
Automatisierungsgrad sogar 49 Prozent Energie<br />
über zwei Heizperioden <strong>ein</strong>gespart.<br />
Die Studie „Energieeffizienz durch Gebäudeautomation<br />
mit Bezug zur DIN V 18599 und DIN EN 15232“<br />
soll im September 2011 dem Bundesbauminister übergeben<br />
werden. Sie kann beim ZVEIFachverband Installationsgeräte<br />
und -systeme angefordert werden.<br />
ZVEI – Zentralverband Elektrotechnikund<br />
Elektronikindustrie e.V.,<br />
Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main<br />
Tel. +49 (0) 69 6302-0, Internet: www.zvei.org<br />
Automation 2012: Die<br />
Komplexität meistern<br />
Komplexe<br />
Systeme<br />
lassen sich nur<br />
durch Automation<br />
beherrschen.<br />
Bild: BASF SE<br />
Der Kongress Automation im Juni 2012 greift mit<br />
dem Motto „Komplexität beherrschen – Zukunft<br />
sichern“ die Herausforderungen der immer weiter zunehmenden<br />
Komplexität in allen Lebensbereichen auf.<br />
Ob in der Fertigungs- oder Prozessindustrie, der Energiewirtschaft,<br />
im Verkehr oder der Medizintechnik<br />
– überall kommt der Automation <strong>ein</strong>e Schlüsselfunktion<br />
beim Beherrschen komplexer Systeme zu. Neben<br />
Effizienz, Ressourcenschonung und Umweltverträglichkeit<br />
steht dabei im Blick, auf welche Weise die<br />
Automation dem Menschen dient und zur Zukunftssicherung<br />
beiträgt.<br />
Vortrags- und Postervorschläge können noch bis<br />
zum 11. November unter www.automatisierungskongress.de<br />
<strong>ein</strong>gereicht werden. Dort sind auch die Themengebiete<br />
genannt, für die der Programmausschuss<br />
mit Vertretern aus Industrie und Wissenschaft um<br />
Vorträge bittet. Mitte Januar sollen die Autoren über<br />
Annahme oder Ablehnung informiert werden.<br />
Der elektronische Grenzsignalgeber Typ<br />
3738 mit Magnetventil bietet die ideale<br />
Lösung für Schwenkarmaturen. Als erstes<br />
Gerät s<strong>ein</strong>er Art ermöglicht es die Speisung<br />
von Elektronik und berührungslosem<br />
Wegsensor aus dem NAMUR-Signal. So<br />
kann die Verkabelung unverändert bleiben.<br />
Trotzdem bietet es <strong>ein</strong>e Fülle zusätzlicher<br />
Funktionen bei der Automatisierung<br />
von Auf/Zu-Armaturen, wie zum Beispiel<br />
die Konfigurierung per Tastendruck, Selbstabgleich<br />
und Diagnose. Justierarbeiten<br />
entfallen ganz. Dank integrierter Luftführung<br />
braucht das Gerät k<strong>ein</strong>e externe Verrohrung.<br />
Einfach anschrauben, Knopf für<br />
Selbstabgleich drücken, fertig.<br />
Der neue Grenzsignalgeber macht die<br />
Auf/Zu-Armatur smart und kompakt.<br />
VDI/VDE-GESELLSCHAFT MESS- UND<br />
AUTOMATISIERUNGSTECHNIK,<br />
VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,<br />
Tel. +49 (0) 211 621 40, Internet: www.vdi.de<br />
A01087DE<br />
SAMSON AG · MESS- UND REGELTECHNIK<br />
Weismüllerstraße 3 · 60314 Frankfurt am Main<br />
Telefon: 069 4009-0 · Telefax: 069 4009-1507<br />
E-Mail: samson@samson.de · Internet: www.samson.de
anche<br />
Blowmolding-Controller sorgt für<br />
optimales Produktionsergebnis<br />
Mit PC-basierter Plattform sind Blasformmaschinen schneller und genauer<br />
Die in Zhanjiagang, China, ansässige ThreePlus Blowtech<br />
Co. Ltd. hat sich auf den Entwurf, die Herstellung<br />
und den Vertrieb vollautomatisierter Blasformmaschinen<br />
für <strong>ein</strong> breites Anwendungsspektrum spezialisiert.<br />
Steuerungsstandard für das komplette Maschinenportfolio<br />
ist PC-Control von Beckhoff. Die<br />
PC-basierte Automatisierungsplattform bildet, zusammen<br />
mit der Technologiesoftware für Blasformmaschinen,<br />
dem „Plastic Application Framework“, <strong>ein</strong>e gute<br />
Kombination zur Produktion hochwertiger Kunststoffartikel.<br />
Basierend auf der .Net-basierten Bedienoberfläche<br />
steht ThreePlus <strong>ein</strong> leistungsfähiger<br />
Blowmolding-Controller zur Verfügung.<br />
Zum Produktportfolio von ThreePlus gehören Maschinen<br />
zur Herstellung von Kunststoffverpackungen von<br />
50 ml bis 10 l für den Consumerbereich aber auch Kunststoffbehälter<br />
für die Industrie, mit <strong>ein</strong>em Fassungsvermögen<br />
bis 220 l, sowie Wassertanks, Spielgeräte und<br />
Ähnliches. „Unsere Hochgeschwindigkeitsblasformmaschinen<br />
genießen sowohl national als auch international<br />
Die Hochgeschwindigkeitsblasformmaschinen<br />
von ThreePlus Blow-tech Co. Ltd. sind durchgängig mit dem<br />
branchenspezifischen Beckhoff- Blowmolding-Controller<br />
ausgerüstet. Bild: ThreePlus Blow-tech Co. Ltd., China<br />
<strong>ein</strong>en guten Ruf“, erläutert Li Jiang, Elektroingenieur bei<br />
ThreePlus. Das Unternehmen exportiert s<strong>ein</strong>e Maschinen<br />
in mehr als zwanzig Länder, darunter, neben Europa,<br />
Kanada, Ägypten, Nigeria, Indien und Thailand.<br />
Integration der Wanddicken- und<br />
Temperaturregelung in <strong>ein</strong>e Steuerung<br />
Ausschlaggebendes Kriterium bei der Entscheidung für<br />
Beckhoff war unter anderem die Offenheit der PC-basierten<br />
Steuerungsplattform: „Durch die Integration der<br />
Wanddicken- und Temperaturregelung in die Maschinensteuerung<br />
konnten wir die Systemarchitektur ver<strong>ein</strong>fachen“,<br />
erläutert Elektroingenieur Li Jiang. Statt spezieller<br />
Baugruppen übernimmt der Beckhoff Blowmolding-Controller<br />
mit dem Einbau-Panel-PC CP6202-1026 alle Maschinenfunktionen.<br />
Die elektrischen Signale der Sensoren,<br />
der Ventile und Motoren werden über das EtherCAT-<br />
I/O-System mit zwei EK1100-Kopplerstationen erfasst und<br />
ausgegeben. „Durch den Verzicht auf Spezialbaugruppen<br />
erhöht sich für uns die Verfügbarkeit der Maschine, bei<br />
gleichzeitiger Reduktion des Serviceaufwandes und der<br />
Lagerhaltung für Ersatzteile“ hebt Li Jiang hervor.<br />
Die Steuerung erfolgt über die Automatisierungssoftware<br />
TwinCat PLC auf der Basis von Windows CE. Zusammen<br />
mit dem TwinCat PLC Fullscale Framework für<br />
Blasformmaschinen lassen sich schnelle Bewegungen<br />
und <strong>ein</strong>e genaue Positionierung der Hydraulik, sowie<br />
<strong>ein</strong>e exakte Temperaturregelung mit minimalem Überschwingen<br />
realisieren.<br />
Der Software-Temperaturregler verfügt über <strong>ein</strong>en intelligenten<br />
Autotuning-Algorithmus, der für möglichst<br />
geringes Überschwingen bei Sollwertänderungen sorgt.<br />
„Gegenüber Hardware-Temperaturreglern ergeben sich<br />
viele Vorteile für die Inbetriebnahme und die Diagnose“,<br />
erläutert Li Jiang. „Die Reglerparameter werden gespeichert<br />
und können für weitere Maschinen genutzt werden.<br />
Damit sparen wir viel Zeit bei der Ermittlung der Parameter<br />
für träge Temperaturzonen.“ Der Software-Regler bietet<br />
außerdem <strong>ein</strong> <strong>hohes</strong> Maß an Flexibilität bei der Erfüllung<br />
von Kundenanforderungen: Zusätzliche Heizzonen<br />
lassen sich problemlos implementieren, da die Software<br />
für <strong>ein</strong>e maximale Zonenanzahl vorbereitet ist und lediglich<br />
weitere I/O-Klemmen <strong>ein</strong>gebaut werden müssen.<br />
Maximale Profilgenauigkeit sichert<br />
Qualitätskonstanz der Produkte<br />
Die Wanddickenregelung bestimmt im Wesentlichen die<br />
Qualität des Endprodukts. Da die Regelstrecke <strong>ein</strong>e hohe<br />
Eigenfrequenz besitzt, kommt es auf kurze Abtastzeiten<br />
an. Diese Anforderung wird durch die beschriebene Automatisierungssoftware<br />
und den leistungsstarken Beckhoff<br />
Industrie-PC erfüllt. Bei ThreePlus arbeitet die Steuerung<br />
mit <strong>ein</strong>er Abtastzeit von 2 ms. Je nach Anforderungen<br />
kann der Blowmolding- Controller auch schneller als<br />
1 ms abtasten. Die maximale Anzahl der Profilpunkte<br />
beträgt 400. So wird die Profilgenauigkeit auf <strong>ein</strong> Maximum<br />
gesteigert, um Kunststoffartikel mit hoher Qualitätskonstanz<br />
zu produzieren.<br />
12<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
Kurze Zykluszeiten werden durch die optimale Steuerung<br />
der Transportbewegung und der Schließ<strong>ein</strong>heit<br />
erreicht. Dazu werden im Blowmolding-Framework die<br />
bewährten Motion-Module aus der TwinCat Hydraulik-<br />
Library genutzt, die <strong>ein</strong>e optimale Balance zwischen<br />
schneller Bewegung und exakter Positionierung herstellen.<br />
„Das Steuerungssystem kann <strong>ein</strong>e genaue Wanddickensteuerung<br />
des Vorformlings bei Produkten mit sehr<br />
hohen Anforderungen realisieren“, formuliert Li Jiang:<br />
„Mit dem Blowmolding-Framework laufen unsere Maschinen<br />
schneller und erreichen <strong>ein</strong>e höhere Positioniergenauigkeit.“<br />
Optimierte Bedienoberfläche<br />
für Blasformmaschinen<br />
Die Produktivität <strong>ein</strong>er Maschine hängt unter anderem<br />
davon ab, wie schnell der Bediener in den laufenden Prozess<br />
<strong>ein</strong>greifen kann und dass ihm die hierzu notwendigen<br />
Informationen auf <strong>ein</strong>en Blick zur Verfügung stehen.<br />
Der Blowmolding-Controller, der speziell für Blasformmaschinen<br />
konzipiert wurde, verfügt über 40 Handbedientaster,<br />
die der rechten und linken Maschinenseite<br />
zugeordnet sind. Die Beschriftung der Tasten erfolgt über<br />
Einschubstreifen und kann an die jeweilige Anwendung<br />
angepasst werden. Der 15-Zoll-Touchscreen-Bildschirm<br />
zeigt alle Informationen in übersichtlicher Form an.<br />
Die hier genutzte Bedieneroberfläche für Blasformmaschinen<br />
ist das Ergebnis langjähriger Erfahrung mit dem<br />
Prozess und der Erfüllung der Wünsche des ‚Mannes an<br />
der Maschine. Bei der Gestaltung der Bedienoberfläche<br />
wurde besonderer Wert auf <strong>ein</strong>en klar strukturierten<br />
Aufbau gelegt. Wichtige Informationen findet der Bediener<br />
auf jeder Seite an derselben Stelle. Softkey-Funktionen<br />
unterstützen die intuitive Bedienung.<br />
Ein permanent <strong>ein</strong>geblendetes Statusfeld enthält die<br />
wichtigsten Prozessinformationen, wie Zykluszeit, Extruderdaten<br />
oder Stückzähler, und ist konfigurierbar –<br />
der Bediener legt fest, welche Daten permanent angezeigt<br />
werden sollen, und hat so den Maschinenzustand im<br />
Blick. Die zentrale Bedienseite des Controllers ist der<br />
Wandstärkeneditor, der alle wichtigen Funktionen zur<br />
schnellen und übersichtlichen Erstellung der Wanddickenkurven<br />
umfasst. Durch farbige Abstufung sind<br />
Stützpunkte und Kurvensegmente leicht erkennbar dargestellt.<br />
Die Kurvenform wird mit Hilfe des Touchscreens<br />
durch Fingerzeig verändert. Besonders interessant<br />
ist der „Un-do“-Speicher, mit dem der Bediener die<br />
zuletzt getätigten Änderungen problemlos rückgängig<br />
machen kann.<br />
Alle Steuerungsfunktionen<br />
stehen zentral zur Verfügung<br />
„Der Blowmolding-Controller bietet uns Benutzerverwaltung<br />
mit unterschiedlichen Zugriffsrechten, Sprachumschaltung<br />
und Speicherung der Bediener<strong>ein</strong>gaben. Dies<br />
sind weitere Vorteile des integrierten Steuerungssystems,<br />
dass alle Funktionen zentral zur Verfügung stehen“, stellt<br />
Li Jiang fest und fährt fort: „Aufgrund der Anwendungslösung<br />
konnten wir die Maschinenleistung und die Produktqualität<br />
verbessern – und das bei gleichzeitiger Senkung<br />
der Produktionskosten.“<br />
Blowmolding-Framework ver<strong>ein</strong>facht<br />
Systemüberwachung und Fernwartung<br />
„Die alte Steuerungsarchitektur mit Spezialbaugruppen,<br />
in Kombination mit Standard-PLCs, hatte nur geringe<br />
Möglichkeiten für <strong>ein</strong>e Systemdiagnose“, so Li Jiang.<br />
Durch die Integration aller Funktionen im neuen Framework<br />
sind umfangreiche Alarm- und Diagnosefunktionen<br />
implementiert, wodurch Stillstandszeiten minimiert und<br />
die Bedienerfreundlichkeit deutlich verbessert werden.<br />
Das Framework bietet dem Anwender zudem die Möglichkeit,<br />
über <strong>ein</strong>fache Einstellungen, spezielle Alarmmodule<br />
zu integrieren. „Die Programmierung erfolgt mit<br />
Strukturiertem Text, gemäß der IEC 61131, so dass der<br />
Bediener nur Grundkenntnisse in der Programmierung<br />
haben muss, um die Maschinenprogramme zu verstehen.<br />
Dies erleichtert es uns, die Qualität der Produkte aufrechtzuerhalten<br />
und Produktaktualisierungen durchzuführen“,<br />
so Li Jiang. „Durch die leistungsstarke, klar<br />
strukturierte und flexible HMI-Schnittstelle können wir<br />
die Benutzer- und Rezeptverwaltung sowie die Dokumentation<br />
aller Änderungen während der Produktion durchführen.<br />
Außerdem besteht die Möglichkeit, Produktionsdaten<br />
ins ERP-Netzwerk des Kunden zu übermitteln.“<br />
Aufgrund der universellen Ethernet-Anbindung kann<br />
die Maschine auch per Fernsteuerung in Betrieb genommen<br />
werden. „Da wir unsere Maschinen weltweit exportieren,<br />
stellt die Remote-Funktionalität, die uns die Inbetriebnahme<br />
oder Wartung aus der Ferne erlaubt, <strong>ein</strong>en<br />
wesentlichen Vorteil dar und spart <strong>ein</strong>e Menge an Arbeitskosten“,<br />
stellt Li Jiang fest.<br />
Autor<br />
Beckhoff Automation GmbH,<br />
Eiserstraße 5, D-33415 Verl,<br />
Tel. +49 (0) 5246 96 30<br />
Thomas Kosthorst<br />
ist Branchenmanager<br />
Kunststoffmaschinen bei<br />
Beckhoff Automation.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011<br />
13
anche<br />
Lichtschranken sorgen für richtige Sortierung von<br />
Gepäck am schnellsten Flughafen der Welt<br />
120 000 Gepäckstücke wandern pro Tag durch das High-Speed-Umschlagszentrum in Frankfurt<br />
Der Frankfurter Flughafen ist als Umsteigeflughafen<br />
<strong>ein</strong>e der bedeutendsten Luftverkehrs-Drehscheiben<br />
der Welt. In dessen Mittelpunkt steht <strong>ein</strong>e hochkomplexe,<br />
flughafenüberspannende Gepäcklogistik für das<br />
Check-in- und Transfer-Gepäck. Lesegeräte von Leuze<br />
electronic an den Weichen der Förderstrecken tragen<br />
maßgeblich dazu bei, dass das Gepäck der Passagiere<br />
schnell und zuverlässig das Ziel erreicht.<br />
9.25 Uhr: Flug DL 106 aus New York ist im Anflug auf<br />
Flughafen Frankfurt am Main. Passagier Michael Edwards<br />
hat s<strong>ein</strong>e Reiselektüre schon im Handgepäck verstaut<br />
und vergewissert sich mit <strong>ein</strong>em Blick auf die Uhr,<br />
dass die Maschine pünktlich landen wird. Es bleibt ihm<br />
nicht viel Zeit, um den Anschlussflug nach Wien zu erreichen.<br />
Zum Glück muss er sich nicht um s<strong>ein</strong> Gepäck<br />
kümmern. Die freundliche Dame am Check-in hat ihm<br />
versprochen, dass es automatisch weitergeleitet wird.<br />
Doch wird das klappen?<br />
Währenddessen bleibt Franz Regner, Diplom-Ingenieur<br />
bei der Fraport AG, der Betreibergesellschaft der<br />
internationalen Luftverkehrs-Drehscheibe Frankfurt<br />
Airport, gelassen. Er kennt weder Edwards noch <strong>ein</strong>en<br />
der anderen Passagiere aus Flug DL 106. Doch er weiß,<br />
dass dessen Gepäck – wie das Gepäck aller „Umsteiger“<br />
– die jeweilige Anschlussmaschine pünktlich erreichen<br />
wird. Im Schnitt steigt mehr als die Hälfte der jährlich<br />
über 53 Millionen Passagiere am Drehkreuz Frankfurt<br />
mit ihrem Gepäck um.<br />
<strong>ein</strong>er der SCHNELLSTEN GROSSFLUGHäFEN DER WELT<br />
Regner ist mit s<strong>ein</strong>en Kollegen zuständig für die Gepäckförderanlage<br />
(GFA), die das Herz der Gepäckabfertigung<br />
und damit <strong>ein</strong>e der wichtigsten Dienstleistungen am<br />
Frankfurter Flughafen darstellt. Fraport garantiert Umsteigezeiten<br />
von minimal 45 Minuten, in denen das Transfergepäck<br />
ausgeladen, sortiert, transportiert und wieder verladen<br />
wird. In dieser Zeitspanne erfolgt zudem <strong>ein</strong>e mehrstufige<br />
automatische Durchleuchtung der Gepäckstücke.<br />
Mit den kurzen Umsteigezeiten für Passagier und Gepäck<br />
zählt der gigantische Flughafen „Frankfurt Airport“<br />
(FRA) zu den schnellsten Großflughäfen der Welt.<br />
Bedenkt man, dass <strong>ein</strong> ankommender Flug bis zu 85 Anschlussflüge<br />
bedient, so spiegelt sich im Einhalten der<br />
minimalen Umsteigezeit für gleichzeitig all diese über<br />
den gesamten Flughafen verteilten Verbindungen <strong>ein</strong>e<br />
<strong>ein</strong>zigartige Logistikleistung wider.<br />
Im Baggage<br />
Control Center,<br />
der zentralen<br />
Betriebssteuerstelle<br />
der Gepäckförderanlage<br />
am Flughafen<br />
Frankfurt/Main<br />
laufen alle Informationen<br />
zusammen.<br />
Bilder: Fraport AG<br />
14<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
HOHE ZUVERLÄSSIGKEITSRATE MIT NEUEN SENSOREN<br />
Das hochkomplexe Logistiksystem ist <strong>ein</strong> High-Speed-<br />
Umschlagzentrum, das in Spitzenzeiten bis zu 120 000 Gepäckstücke<br />
am Tag bewältigt – mit allen Sicherheitshürden.<br />
„Unsere Gepäckförderanlage für das Check-in- und<br />
Transfer-Gepäck läuft seit Jahrzehnten wie <strong>ein</strong> Uhrwerk,<br />
allerdings mit stetiger Anpassung an wachsende Anforderungen“,<br />
erzählt Regner.<br />
Was ursprünglich mit Förderstrecken von rund 26 km<br />
Länge begann, wuchs bis heute zu <strong>ein</strong>er flughafenüberspannenden<br />
Behälterförderanlage mit derzeit 77 km Förderlänge.<br />
Eine der jüngsten Verbesserungen findet im<br />
Bereich der Sensorik entlang der Förderstrecken,<br />
Regner´s eigentlichem Aufgabengebiet, statt. „Tausende<br />
von Sensoren steuern die Weichen der gigantischen Anlage,<br />
um Koffer und Taschen zwischen dem Terminal 1<br />
und 2 sowie der Vorfeldstation zu ihren Zielen zu bringen“,<br />
erklärt Regner.<br />
Mit der neuesten Ausführung der Lesegeräte KA 973<br />
von Leuze electronic arbeitet er weiter an der Optimierung<br />
der <strong>Zuverlässigkeit</strong>srate, die mit be<strong>ein</strong>druckenden<br />
99,83 % ohnehin schon ganz nahe bei 100 % liegt. Die<br />
Lesegeräte sind Teil der ausgeklügelten Behältererken-<br />
nung und bestehen aus jeweils drei PRK-3B-Reflexions-<br />
Lichtschranken mit Polarisationsfilter und <strong>ein</strong>em zusätzlichen<br />
HRTR-3B-Reflexions-Lichttaster mit Hintergrundausblendung.<br />
LICHTSCHRANKEN MINIMIEREN<br />
MÖGLICHE FEHLLESUNGEN<br />
Die so genannten Polfilter-Lichtschranken in den neuen<br />
Lesegeräten minimieren im Vergleich zu den bisher verwendeten<br />
Ausführungen Fremdlichtprobleme. Mögliche<br />
Fehllesungen durch spiegelnde oder reflektierende Flächen<br />
an den Behältern werden damit vermieden. Außerdem<br />
verhindert <strong>ein</strong>e gut <strong>ein</strong>stellbare Reichweite die ansonsten<br />
auftretende Reaktion der Sensoren bei Erkennung<br />
benachbarter Behälter in den parallelen, nah benachbarten<br />
Bahnen. „Das Teachen der Reichweiten<br />
mittels Teach-Knopf ist <strong>ein</strong>fach und erfüllt zugleich<br />
unsere Anforderungen hinsichtlich <strong>ein</strong>er robusten Geräteausführung“,<br />
ergänzt Regner.<br />
Eine weitere funktionale Verbesserung bringt der eigens<br />
in die Lesegeräte integrierte Reflexions-Lichttaster<br />
vom Typ HRTR 3B. Er ist 50 mm über den zur Codelesung<br />
<strong>ein</strong>gesetzten Lichtschranken angebracht und prüft zu-<br />
Fehlersichere Behältererkennung mit Leuze<br />
electronic Sensoren im High-Speed-Logistiksystem am<br />
Flughafen Frankfurt.<br />
An der Rückseite der Lesestationen<br />
werden per LED Betriebszustände wie Spannungsversorgung,<br />
Warnsignal, Vortaktsignal,<br />
Taktsignal und Infosignal angezeigt.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011<br />
15
anche<br />
sätzlich das Vorhandens<strong>ein</strong> <strong>ein</strong>es Behälters. Der Grund<br />
hierfür beruht auf Erfahrung: Denn es besteht grundsätzlich<br />
die Möglichkeit, dass <strong>ein</strong> Behälter vor <strong>ein</strong>em Lesegerät<br />
kurzzeitig stehen bleibt und damit <strong>ein</strong>en Time-out<br />
der Lichtschranken und infolgedessen <strong>ein</strong>e Fehllesung<br />
verursacht. Mit der zusätzlichen Behältererkennung lassen<br />
sich solche, wenn auch höchst selten auftretende<br />
Störfälle, vermeiden.<br />
BINÄRCODE LESEN MIT HOCHGESCHWINDIGKEIT<br />
Die Schaltfrequenz der Reflexions-Lichtschranken und<br />
die erforderliche Lichtfleckgröße ergeben sich aus den<br />
enormen Fördergeschwindigkeiten und der Beschaffenheit<br />
der Binärcodierung auf den Kennungsträgern. Diese<br />
Codierleisten befinden sich an den insgesamt 18 000 Behältern,<br />
die ständig im Umlauf sind.<br />
Jede der seitlich an den Behältern angebrachten Codierleisten<br />
hat zwei Zeilen: <strong>ein</strong>e Taktspur und darunter<br />
<strong>ein</strong>e Informationsspur. Beide Spuren besitzen 21 Felder<br />
(Bits). Auf der Taktspur wechseln sich Null und Eins in<br />
gleichmäßigen Abständen ab. So erhält man 21 Taktsignale,<br />
die zur Erkennung <strong>ein</strong>er Behälteranwesenheit sowie<br />
zur Synchronisierung der Informationsspur dienen.<br />
Jedem Taktbit ist <strong>ein</strong> Informationsbit zugeordnet. Die<br />
Reihenfolge dieser Bits (Einsen und Nullen) stellt letztlich<br />
die Behälternummer dar.<br />
Passiert <strong>ein</strong> Behälter <strong>ein</strong>e Lesestelle, wird zuerst die<br />
Vortakt-Lichtschranke durch die Taktspur bedämpft.<br />
Damit wird die Anwesenheit des Behälters festgestellt.<br />
Danach werden die Info- und die Takt-Lichtschranke<br />
von der jeweiligen Spur bedämpft. Daraus ergibt sich die<br />
bereits erwähnte Anzahl von drei Reflexions-Lichtschranken<br />
in <strong>ein</strong>em Lesegerät. Bedingt durch deren Anordnung<br />
eilt das Infosignal dem Taktsignal um 90° voraus.<br />
Somit ist das Info-Signal bei steigender Flanke des<br />
Taktsignals gültig, das heißt der Lichtfleck der Info-<br />
Lichtschranke befindet sich genau mittig im Info-Feld<br />
der Codierleiste. Diese ist 780 mm lang und deren Reflexfelder<br />
(High-Signal) sind 20 und die dazwischen liegenden<br />
Dunkelfelder (Low-Signal) 18 mm breit. Setzt<br />
man dies in Relation zu den Fördergeschwindigkeiten,<br />
ergeben sich immense Lesefrequenzen. Hierzu sagt Regner:<br />
„In <strong>ein</strong>igen Bereichen, wie etwa durch lange, gerade<br />
Tunnelstrecken, fahren die Behälter mit Geschwindigkeiten<br />
von 5 m/s, testweise sogar 10 m/s“.<br />
Wo allerdings Richtungsänderungen stattfinden, wie<br />
in Kurven oder an Weichen, muss die Geschwindigkeit<br />
aufgrund der enormen Fliehkräfte drastisch reduziert<br />
werden. Dennoch wird im Durchschnitt <strong>ein</strong>e Transportgeschwindigkeit<br />
von immerhin noch 2,5 m/s erreicht.<br />
Die Lesestelle wurde hier auf 5 m/s ausgelegt, um für die<br />
Zukunft gerüstet zu s<strong>ein</strong>. Rechnerisch bleiben bei 5 m/s<br />
noch 4 Millisekunden zum Lesen <strong>ein</strong>es Bits. Die Schaltfrequenz<br />
der PRK-3B-Reflexions-Lichtschranken von<br />
Leuze electronic liegt bei 1000 Hz – damit ist diese Anforderung<br />
also erfüllt.<br />
Auch in Hinblick auf die geforderte Lichtfleckgröße<br />
sind die PRK 3B optimal geeignet. Franz Regner hat <strong>ein</strong>e<br />
Größe von 5 bis 6 mm vorgegeben, damit <strong>ein</strong>e möglichst<br />
breite Abdeckung der jeweiligen Kontaktfläche zur zuverlässigen<br />
Erkennung auch bei Beschädigungen oder<br />
Verschmutzungen gegeben ist. Dabei ist gewährleistet,<br />
dass niemals zwei Kontaktflächen gleichzeitig abgedeckt<br />
werden.<br />
Andere Anforderungen, wie etwa die Gehäusegestaltung<br />
der Lesestationen, resultieren vor allem aus der<br />
Handhabung und den rauen Umgebungsbedingungen.<br />
Schon die besonders robuste Ausführung der Leuzeelectronic-Sensoren<br />
mit hohen Schock- und Vibrationsfestigkeiten<br />
erfüllt die gestellten Vorgaben. Das Metallgehäuse<br />
wurde mit <strong>ein</strong>em speziellen erschütterungsfesten<br />
Ausrichtmechanismus für die Sensoren ausgestattet.<br />
Insgesamt kommt bei der Gehäuseauslegung und der<br />
Sensoranordnung die besonders kompakte Baugröße<br />
der Sensor-Baureihe 3B zugute. Die Lesestationen werden<br />
komplett bestückt und mit <strong>ein</strong>er Mittenpunktabweichung<br />
von ±1 mm auf <strong>ein</strong>e Entfernung von 120 mm<br />
ausgerichtet an Fraport geliefert. Sie passen 1:1 in die<br />
vorhandenen Lesestellenhalterungen und lassen sich<br />
leicht justieren.<br />
ZUVERLÄSSIG AM ZIEL<br />
12.15 Uhr, Gepäckausgabe Flughafen Wien (VIE): Michael<br />
Edwards nimmt s<strong>ein</strong>en Koffer vom Förderband und<br />
strebt erleichtert dem Ausgang zu. Er kennt weder Franz<br />
Regner noch <strong>ein</strong>en s<strong>ein</strong>er rund 6000 Kollegen bei Fraport,<br />
die im „Ground Handling“ am Frankfurter Flughafen<br />
dafür sorgen, dass Flugzeuge reibungslos abgefertigt<br />
werden und neben Passagieren auch das Gepäck der<br />
Gäste zeitgerecht „umsteigen“ kann. Gleichwohl ahnt er<br />
in solchen Momenten, dass hinter all dem <strong>ein</strong>e logistische<br />
Meisterleistung steckt.<br />
Autor<br />
Leuze electronic GmbH + Co. KG,<br />
In der Braike 1,<br />
D-73277 Owen,<br />
Tel. +49 (0) 7021 57 31 89,<br />
E-Mail: wolfgang.teumer@leuze.de<br />
Wolfgang Teumer ist<br />
Produktmanager bei der<br />
Leuze electronic GmbH + Co.<br />
KG in Owen.<br />
16<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
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© Phoenix ContaCt 2011
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Mit Adam und Eva geht‘s sicher rund: Sensorpärchen<br />
verhilft Anlage zu Sicherheitsstandards<br />
Safety-Applikationen erfüllen PL e gemäß EN ISO 13849-1 am Rundtisch der Volz GmbH in Schwaben<br />
Bild 1: Autor Andreas Strangfeld (re.) machte sich selbst <strong>ein</strong> Bild. Nach dem Einlegen der <strong>ein</strong>zuschäumenden<br />
Sitzplatte aus Sperrholz überprüfen er und Elmar Winterhalter, technischer Leiter des Anlagenbauers,<br />
die Sicherheit der Polyurethan-Verarbeitungsanlage mit zehn Rundtischstationen.<br />
Bis zu 60 Polyurethan-(PUR)-Teile spuckt die Rundtisch-Fertigungsanlage<br />
der Volz GmbH in Balingen<br />
pro Stunde aus. Mensch und Roboter arbeiten hier<br />
sprichwörtlich Hand in Hand. Die Sicherheit für die 52<br />
Mitarbeiter des Familienbetriebs steht an erster Stelle.<br />
Alle Sicherheitsfunktionen an dem sechs Meter großen<br />
Rundtisch werden von <strong>ein</strong>em Controller Pluto B20 und<br />
zwei Pluto B46 mit mehreren Erweiterungsrelais BT51<br />
überwacht. Dabei wird durchgängig der höchste Performance<br />
Level PL e gemäß EN ISO 13849-1 und SIL 3 gemäß<br />
EN IEC 61508 erreicht.<br />
Teile durchlaufen zehn Stationen<br />
am Rundtisch<br />
Die zehn Stationen des Fertigungsrundtisches in der SPSgesteuerten<br />
Verarbeitungsanlage bestehen aus <strong>ein</strong>er Roboterstation<br />
zum Besprühen der Formen, zwei manuellen<br />
Bearbeitungsstationen und sieben Aushärtestationen. Auf<br />
dem Rundtakttisch befinden sich zehn mitlaufende, selbständig<br />
agierende Einheiten. Jede Einheit besteht aus <strong>ein</strong>em<br />
Antrieb und <strong>ein</strong>er Form. Die Roboterstation sprüht<br />
die beiden offenen Formen-Hälften mit <strong>ein</strong>em Trennmittel<br />
<strong>ein</strong>. Nach dem In-Mould-Coating-Verfahren werden sie<br />
anschließend mit Lack beschichtet. An der darauf folgenden<br />
Füllstation legt man bei Bedarf Einlegeteile in die<br />
Form. Dann wird die Form geschlossen und mit dem noch<br />
flüssigen Polyurethan gefüllt. Nach dem Füllen schwenkt<br />
die Form vollautomatisch in die optimale Position, damit<br />
beim Aufschäumen die Luft am höchsten Punkt aus der<br />
Form entweichen kann.<br />
Gleichzeitig dreht sich der Rundtisch um <strong>ein</strong>e Station<br />
weiter. In den folgenden Stationen bewegt sich das PUR-<br />
18<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
Teil je nach Prozessfortschritt und geforderter Form-<br />
Ausführung weiter. Nach den sieben Aushärtestationen<br />
gelangt die Form an die Station, an der das Teil entnommen<br />
und die Form von Austriebsmaterial befreit und<br />
ger<strong>ein</strong>igt wird.<br />
Sensorpaar Adam und Eva überwacht<br />
die Fertigung<br />
Die Sicherheitstechnik dieser Anlage, die menschliche<br />
Arbeit stark mit Robotik verknüpft, stammt von Jokab<br />
Safety. Für ihren Einsatz entschied sich Sysprotex, der<br />
die Anlage herstellte. Elmar Winterhalter (Bild 1), technischer<br />
Leiter des badischen Anlagenbauers, lobt die<br />
hohe Anpassungsfähigkeit und den übersichtlichen<br />
modularen Aufbau. Für die leichte Programmierbarkeit<br />
sorgt <strong>ein</strong>e kostenlose Software. Sie ist es auch, die das<br />
durchgängige Erreichen des höchsten Performance Levels<br />
PL e sicherstellt.<br />
Die zehn Drehpositionen des Rundtisches werden<br />
sicher von zehn aktiven, elektrisch verdrahteten Sicherheitssensoren<br />
mit Namen Adam erfasst. Diese werden<br />
von <strong>ein</strong>em <strong>ein</strong>zigen, als Betätiger wirkenden Sicherheitssensor<br />
Eva aktiviert. Adam und die ihm gegenüber<br />
stehende Eva bilden das Sensorpaar Eden (Bild 3). Ein<br />
kodiertes Signal wird vom Sicherheits-Controller Pluto<br />
(Bild 4) über Adam an Eva übertragen, die das Signal<br />
verändert und wieder zurücksendet. Eine <strong>ein</strong>fache<br />
Montage gewährleistet die große Toleranz für Abstand<br />
und Versatz zwischen Adam und Eva und die als Justierhilfe<br />
dienende Blinkfrequenz der LED. Das wartungs-<br />
und verschleißfreie Sensorpaar hat <strong>ein</strong>en Schaltabstand<br />
von 0 bis 15 mm und lässt sich unter <strong>ein</strong>em<br />
Winkel von 0 bis 360° betätigen. Dank des speziellen<br />
dynamischen Ein- und Ausgangssignals kann man bis<br />
zu 390 Sensoren mit <strong>ein</strong>em Sicherheits-Controller Pluto<br />
<strong>ein</strong>kanalig überwachen.<br />
Pluto behält den Gesamtüberblick<br />
Die erfasste Position des Rundtakttisches wird im Pluto-<br />
Programm sicherheitstechnisch verknüpft. Der Sicherheitscontroller<br />
Pluto meisterte die Herausforderung, jeden<br />
<strong>ein</strong>zelnen Antrieb auf dem Rundtakttisch abhängig<br />
von der Position und dem Zustand der Lichtvorhänge<br />
individuell freizugeben. Den Controller gibt es in zwei<br />
Ausführungen: Eine 45mm breite Ausführung mit Busanschluss<br />
und <strong>ein</strong>en 90mm breiten Sicherheits-Controller<br />
Pluto B46. Er wurde entwickelt, um der Nachfrage<br />
nach <strong>ein</strong>em kompakten Sicherheits-Controller mit mehr<br />
Ein- und Ausgängen gerecht zu werden. Der B46 hat insgesamt<br />
46 E/A, 6 davon sind unabhängige Sicherheitsausgänge.<br />
Die 40 Eingänge sind für Unfallschutzgeräte<br />
und sonstige sicherheitsgerichtete Sensoren bestimmt.<br />
Außerdem können 16 dieser Eingänge auch als nicht sichere<br />
Ausgänge benutzt werden.<br />
Da die Programmierung über die intuitive Pluto-Manager-Software<br />
im Kontaktplan erfolgt, eignet sich Pluto sowohl<br />
zur Sicherheitsüberwachung als auch zur Steuerung<br />
kl<strong>ein</strong>erer Maschinen. Pluto ist <strong>ein</strong> Sicherheits-Controller<br />
<br />
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AUSZUG AUS DEN THEMEN:<br />
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Bild 2: Der Sicherheits-Lichtvorhang Focus schützt vor<br />
unbefugtem manuellen Übergreifen in die Roboterstation.<br />
Er hat <strong>ein</strong>e Schutzfeldhöhe von 300 mm und <strong>ein</strong>e Auflösung<br />
von 14 mm.<br />
Bild 4: Der Sicherheits-Controller Pluto B20 unterstützt<br />
durchgängig Performance Level PL e und SIL 3. Die Erweiterungsrelais<br />
BT51 bieten zusätzliche Kontakte, und das Gateway<br />
GATE P1 ermöglicht die Kommunikation mit dem Profibus DP.<br />
Bild 3: Der berührungslos wirkende Sicherheitssensor<br />
Eden mit M12-Steckanschluss hat <strong>ein</strong>en Schaltabstand von<br />
0 bis 15 mm. Bei Bedarf durchdringt s<strong>ein</strong> Wirkfeld auch<br />
nichtmetallische Werkstoffe.<br />
Bild 5:<br />
Die im drehenden<br />
Anlagenteil gewonnenen<br />
Signale<br />
werden über die in<br />
diesem Rundgehäuse<br />
<strong>ein</strong>gebauten<br />
Schleifringkontakte<br />
an die stationäre<br />
Steuerungselektronik<br />
weitergeleitet.<br />
„All Master“, der den Entwurf von Sicherheitssystemen<br />
ver<strong>ein</strong>facht und dem Performance Level e nach EN ISO<br />
13849-1 sowie SIL 3 nach IEC-62061 entspricht. Alle Plutos<br />
sind Master-Geräte und können sich somit am Netzwerk<br />
gegenseitig sehen und Entscheidungen bezüglich ihrer<br />
eigenen unmittelbaren Sicherheitsumgebung treffen.<br />
Lichtvorhänge stoppen die Anlage bei Gefahr<br />
Zum Anschluss an den Sicherheits-Controller Pluto benötigte<br />
Sysprotex pro Sensor nur <strong>ein</strong>en Eingang, im Gegensatz<br />
zu zwei Eingängen bei anderen Lösungen. Auch die<br />
Not-Halt-Taster Inca 1 Tina werden <strong>ein</strong>kanalig angeschaltet.<br />
Dies ver<strong>ein</strong>facht die Verdrahtung und man spart Zeit.<br />
Die beiden Unfallschutz-Lichtvorhänge Focus (Bild 2)<br />
mit 35 mm Auflösung und 1650 mm Schutzfeldhöhe<br />
erfassen den Eingriff in und den Zutritt zu den Bearbeitungsstationen.<br />
Die vom TÜV nach der Sicherheitsnorm<br />
EN/IEC 61496-1/2 zertifizierten Geräte vom Typ 4<br />
besitzen Eingänge zum teilweisen oder vollständigen<br />
Muten der Lichtstrahlen. Zu ihren Eigenschaften zählen<br />
Überwachung der Muting-Leuchte, optionales Floating<br />
oder Fixed Blanking, Pre-Reset-Funktion, manuelle,<br />
überwachte oder automatische Rückstellung, zwei<br />
überwachte PNP-Sicherheits-Ausgänge mit Querschluss-Überwachung<br />
(OSSD) und M12 Anschlüsse.<br />
LEDs sorgen für <strong>ein</strong>fache Ausrichtung und Anzeige von<br />
20<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
Verschmutzung, Betriebsspannung (24 VDC ±20 %) und<br />
Ausgangszustand. Die Schutzfeldhöhen betragen 150<br />
bis 2400 mm, bei <strong>ein</strong>er Auflösung von 14 mm, 35 mm<br />
oder 300/400/500 mm und Reichweiten von jeweils 6 m,<br />
15 m oder 25/50 m. Die Zutrittstür zur Roboterstation<br />
und der Zugang zum Innenbereich des Rundtisches<br />
werden jeweils vom Sensorpaar Eden überwacht. Zwei<br />
Unfallschutz-Lichtvorhänge Focus erfassen das manuelle<br />
Übergreifen. Dies löst <strong>ein</strong>e sofortige Unterbrechung<br />
der gefahrbringenden Roboterbewegung aus.<br />
Die Sicherheitsanforderungen der Anlage wurden<br />
durch entsprechende Programmierung des Sicherheits-<br />
Controllers Pluto schnell und mühelos erfüllt. Der technische<br />
Leiter Winterhalter kann dies bestätigen. Mit<br />
dem problemlosen Verknüpfen der Bus-Signale, auch<br />
über den Schleifring (Bild 5) auf dem drehenden Anlagenteil,<br />
ist er überaus zufrieden.<br />
Familienbetrieb sicher in die<br />
Zukunft unterwegs<br />
Thomas Volz, der die PUR-Anlage in dritter Generation<br />
betreibt, zeigt sich zufrieden mit der leichten Ausrichtung<br />
von Pluto: „Die völlige Schmutz-Unempfindlichkeit<br />
der zehn Sicherheitssensoren ist ebenfalls lobenswert“,<br />
sagt der 40-Jährige. Die Volz GmbH wurde 1956 von Thomas<br />
Volz Großvater als Möbelfabrik gegründet. Seit 1975<br />
hat sie sich vollständig der PUR-Kunststoffverarbeitung<br />
verschrieben. Die wichtigsten Abnehmer der PUR-Formteile<br />
sind namhafte Firmen im Industriegüter-, Fahrzeug-<br />
und Möbelbereich sowie in der Medizin-, Laborund<br />
Hausgerätetechnik.<br />
Autor<br />
Andreas Strangfeld ist<br />
Leiter Marketing Sicherheitstechnik<br />
bei der ABB Stotz-<br />
Kontakt GmbH. Er betreut<br />
seit 1999 die Produkte von<br />
Jokab Safety Deutschland.<br />
ABB Stotz Kontakt GmbH (Jokab Safety Deutschland),<br />
Max-Planck-Straße 21, D-78549 Spaichingen,<br />
Tel. +49 (0) 07424 95 86 50,<br />
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Mehr als nur Kosmetik: Remote-Monitore<br />
optimieren Fertigung von Schönheitsprodukten<br />
GMP-konforme Bedienstationen optimieren Prozessverfolgung und Rohstoffverwaltung bei BDF<br />
Seit dem Sommer 2011 werden im Beiersdorf (BDF)<br />
Productioncenter Waldheim, bekannt auch unter dem<br />
Markennamen Florena, die Produktionsprozesse durch<br />
GMP-konforme Bedienstationen der VisuNet-GMP-Familie<br />
unterstützt. Die Zwischenbilanz zeigt: Fehlerquellen<br />
in der Produktion konnten weiter minimiert, die<br />
Prozessverfolgung ver<strong>ein</strong>facht und die Verwaltung der<br />
<strong>ein</strong>gesetzten Rohstoffe optimiert werden.<br />
Seit 1852 werden im sächsischen Waldheim Körperpflegeprodukte<br />
hergestellt. Seit 2002 wird das Werk<br />
als eigenständige GmbH geführt und gehört zu hundert<br />
Prozent der Beiersdorf AG. Etwa 350 Beschäftigte<br />
stellen im Dreischichtbetrieb 160 verschiedene Produkte<br />
her. Das Spektrum gliedert sich in die Kategorien Cremes,<br />
Lotionen und Tenside, die in Tuben, Tiegel, Flaschen oder<br />
Nachfüllbeutel abgefüllt werden. Längst beschränkt sich<br />
die Produktion nicht mehr nur auf Artikel der naturnahen<br />
Kosmetiklinie Florena, sondern umfasst praktisch das<br />
gesamte Spektrum des Beiersdorf-Konzerns wie etwa Produkte<br />
der Marken Nivea oder Eucerin.<br />
HÄUFIGE UMRÜSTUNG ERFORDERT FLEXIBILITÄT<br />
Das Productioncenter Waldheim ist auf die Fertigung kl<strong>ein</strong>er<br />
bis mittlerer Lose sowie auf sogenannte Sachets (Siegelrandbeutel,<br />
Warenproben in Kunststoffbeuteln) spezialisiert.<br />
Diese Produktionsschwerpunkte ziehen häufige<br />
Umrüstarbeiten nach sich, die <strong>ein</strong>e hohe Flexibilität und<br />
<strong>ein</strong>e intensive Qualitätssicherung erfordern.<br />
Die anspruchsvollen Kosmetik-Produkte entstehen aus<br />
<strong>ein</strong>er Vielzahl von Rohstoffen, die nach mehr oder weniger<br />
komplexen Rezepturen zusammengeführt, mechanisch<br />
verarbeitet (mischen, rühren) und zum Teil thermisch<br />
behandelt werden. Die definierten Prozessabläufe<br />
werden in Arbeitsanweisungen bereitgehalten.<br />
Bislang wurde die tatsächliche Zusammensetzung <strong>ein</strong>er<br />
Charge durch manuelle Aufzeichnungen dokumentiert.<br />
Allerdings ist dieses Verfahren aufwendig und<br />
aufgrund der fehlenden Quittierung in Form <strong>ein</strong>er direkten<br />
Rückmeldung an <strong>ein</strong> Prozessmanagementsystem<br />
prinzipiell fehleranfällig.<br />
EXAKTE MENGENERFASSUNG IST ESSENZIELL<br />
Stärker noch als bei der Nachverfolgung von Prozessschritten<br />
und Chargen macht sich die fehlende Rückmeldung<br />
bei der Bilanzierung der <strong>ein</strong>gesetzten Rohstoffe<br />
bemerkbar. Zwar sind Toleranzen gegenüber den Rezepturvorgaben<br />
in gewissen Grenzen zulässig. Um beispielsweise<br />
bei <strong>ein</strong>er Inventur sinnvolle Ergebnisse zu erhalten,<br />
ist aber die korrekte Erfassung aller tatsächlich verbrauchten<br />
Mengen Voraussetzung.<br />
Auf Basis dieser identifizierten Optimierungspotenziale<br />
erstellte die Projektgruppe um René Weidlich vom<br />
Team Engineering, Support + Facility im Beiersdorf-<br />
Productioncenter Waldheim <strong>ein</strong> Konzept für den Einsatz<br />
von Bedienstationen, die Rezepturverwaltungen und<br />
Wägevorgänge wirkungsvoll unterstützen können. Daraus<br />
resultierende Forderungen für die zu beschaffenden<br />
Bedienstationen waren:<br />
Unterstützung für Anwender: Die Bedienstationen<br />
helfen bei Rezepturabarbeitung und Wägevorgängen<br />
– Fehler können so minimiert werden.<br />
Bild: Beiersdorf<br />
Anbindung an das vorhandene Prozessmanagementsystem<br />
Zentrale Steuerungsmöglichkeit<br />
Umschaltbarkeit zwischen Linien (Vermeidung<br />
von Produktionsausfällen bei Störungen)<br />
GMP-konforme Mechanik<br />
Anschlussmöglichkeit für Barcode-Leser<br />
Flexible Montagemöglichkeiten<br />
Das Waldheimer Projektteam entschied sich für Remote-<br />
Monitore der VisuNet-GMP-Familie von Pepperl+Fuchs.<br />
Die Monitore lassen sich nicht nur <strong>ein</strong>fach an das Produktionsmanagementsystem<br />
anbinden, sondern auch die<br />
angestrebte zentrale Steuerung konnte so realisiert werden.<br />
Die netzwerkfähigen Remote-Monitore können als<br />
Thin Clients über <strong>ein</strong> Ethernet-basiertes Netzwerk mit<br />
Prozessleitsystemen, SPSen oder Host PCs kommunizieren.<br />
Mit dem VisuNet Control Center steht zudem <strong>ein</strong><br />
komfortables, Windows-basiertes Programm zur Verfügung.<br />
Damit können alle im Netzwerk befindlichen Remote-Monitore<br />
von <strong>ein</strong>em Rechner aus administriert,<br />
gewartet und ferngesteuert werden.<br />
Hinsichtlich der zum Teil <strong>ein</strong>geschränkten räumlichen<br />
Verhältnisse bieten die Remote-Monitore der Visu-<br />
Net-GMP-Familie unter mehreren Aspekten Vorteile.<br />
Zunächst überzeugten die vielfältigen, weil modular<br />
aufgebauten Befestigungsmöglichkeiten. Weiterhin standen<br />
neben den heute weit verbreiteten Breitbildformaten<br />
mit 22 Zoll Bildschirmdiagonale auch die klassischen<br />
22<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
19-Zoll-Displays (48,3 cm) zur Verfügung, auf die hin die<br />
vorhandenen Anwendungen optimiert sind. Den räumlichen<br />
Verhältnissen kam schließlich das günstige Verhältnis<br />
Bildschirmfläche zu Monitorgesamtfläche, das<br />
heißt <strong>ein</strong> schmaler Rand, zugute.<br />
Die Realisierung erfolgte durch Anbindung der Remote-<br />
Monitore an <strong>ein</strong>e vorhandene Client-Server-Struktur über<br />
<strong>ein</strong> Ethernet-basiertes Netzwerk. Das zentrale Prozessmanagementsystem<br />
verwaltet Rezepturen und erfasst die<br />
Eingaben, die an den Bedienstationen gemacht werden.<br />
Diese Daten können später statistisch ausgewertet und<br />
damit die Qualität überwacht und erhöht werden. Darüber<br />
hinaus unterstützen die Bedienstationen die Anwender<br />
bei Rezepturabarbeitung und Wägevorgängen, Fehler können<br />
so minimiert werden.<br />
STÖRUNGEN LASSEN SICH BESSER MANAGEN<br />
Die ersten Erfahrungen mit den Bedienstationen sind<br />
durchweg positiv: Die Einführung ging an <strong>ein</strong>em <strong>ein</strong>zigen<br />
Wochenende reibungslos vonstatten. Mitarbeiter schätzen<br />
die Unterstützung durch die Bedienstationen, die Akzeptanz<br />
der Systeme ist hoch. Bereits während der Einführungsphase<br />
zeichnet sich ab, dass die Fehlerquote gesenkt<br />
und die Nachvollziehbarkeit von Vorgängen erhöht wurde.<br />
Auch außerordentliche Situationen können nun deutlich<br />
besser gemanagt werden. Fällt etwa <strong>ein</strong> Mischer<br />
<strong>ein</strong>er Produktlinie aus und macht <strong>ein</strong>en Wechsel erforderlich,<br />
musste bislang schriftlich <strong>ein</strong>e neue Arbeitsanweisung<br />
verfasst werden, und zwar gegebenenfalls auch<br />
nachts – mit entsprechenden Konsequenzen wie Wartezeiten<br />
und teurem Produktionsausfall. Mit der Verwendung<br />
der Bedienstationen sind dagegen jetzt Arbeitsanweisungen<br />
und Rezepturen zentral hinterlegt und können<br />
jederzeit abgerufen werden.<br />
René Weidlich erläutert: „Wir werden den bisherigen<br />
Prozess noch bis zum Jahresende parallel weiter laufen<br />
lassen, gehen aber davon aus, dass wir dann ausschließlich<br />
mit den Bedienstationen arbeiten werden.“<br />
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Granulierlinie und setzte dabei erstmals spezielle<br />
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nur <strong>ein</strong>e <strong>ein</strong>zige Softwareumgebung erforderlich ist.<br />
Seit 120 Jahren beliefert Diosna die Nahrungsmittel-,<br />
Getränke-, Pharma- und Chemiebranchen weltweit mit<br />
maschinenbasierten Lösungen – und bietet dabei modernste<br />
Produktions- und Laboranlagen und die entsprechenden<br />
Apparaturen. Das Unternehmen liefert Knetanlagen,<br />
Hub- und Entladestationen für das Bäckereigewerbe<br />
sowie Knetmaschinen und Mischapparate für Kantinen,<br />
Metzgereien und Nahrungsmittelhersteller.<br />
SUPPORT AUCH IN PUERTO RICO<br />
Für die Chemie-, Pharma- und Kunststoffbranche stellt<br />
es Standard-Mischgeräte und spezialisierte Mischer, Granulierer,<br />
Trockner (VAC) und Vakuumtrockner für die<br />
Einzelbehälterverarbeitung her, ebenso Wirbelschicht-<br />
Chargen-Produktionsanlagen, Beschichtungsanlagen,<br />
sowie Misch- und Verarbeitungsanlagen.<br />
Diosna sieht sich selbst als Systemanbieter, der s<strong>ein</strong>en<br />
Kunden komplette Verarbeitungslösungen anbieten<br />
kann, die von der Planung <strong>ein</strong>zelner Anlagen bis zur<br />
modernen Qualifikation mit zahlreichen Innovationen<br />
reicht, die den Markt auf dieselbe Weise revolutioniert<br />
haben wie die erste Knetmaschine vor vielen Jahren.<br />
Diosna wurde vor kurzem von <strong>ein</strong>em Kunden gebeten,<br />
<strong>ein</strong>en Kompaktgranulierer für <strong>ein</strong>e Tablettenfabrik in<br />
Puerto Rico zu entwickeln. Das aus <strong>ein</strong>em Granulierer,<br />
<strong>ein</strong>em Mischer-Granulierer und <strong>ein</strong>em Wirbelschichttrockner<br />
bestehende System musste kompakt und gut<br />
zugänglich s<strong>ein</strong> und neben <strong>ein</strong>er stabilen Sicherheitsinfrastruktur<br />
<strong>ein</strong>e herausragende Eindämmung bieten.<br />
INTERDISZIPLINÄR UND PROGRAMMIERBAR<br />
In diesem speziellen Fall schrieb der Kunde Allen-Bradley-Geräte<br />
aus, nicht nur weil die Technologie von Rockwell<br />
Automation den Herausforderungen dieser Aufgabe<br />
gewachsen war, sondern auch aufgrund der globalen Präsenz,<br />
dem umfassenden Produkt- und Serviceangebot und<br />
der Verfügbarkeit <strong>ein</strong>es sachkundigen lokalen Supports.<br />
Rockwell Automation stellte nicht nur die Hardware in<br />
Form von programmierbaren Allen-Bradley GuardLogix-<br />
Automatisierungssteuerungen, verteilter Sicherheits-E/A<br />
und PowerFlex-70-Frequenzumrichtern zur Verfügung,<br />
sondern bot auch umfassende Unterstützung über s<strong>ein</strong>en<br />
CSM (Customer Support and Maintenance)-Geschäftsbereich.<br />
Hierzu zählten unter anderem <strong>ein</strong> Team von Commercial<br />
Engineers, <strong>ein</strong> vor Ort arbeitender Ingenieur, der<br />
den Aufbau überwachte und <strong>ein</strong> kundenspezifisches<br />
Training, damit das Unternehmen s<strong>ein</strong>e Investitionen<br />
optimal nutzen kann.<br />
In der Pharmaindustrie werden Granuliererreihen<br />
zum Mischen und Vorbereiten von Rohmaterialien verwendet,<br />
bevor diese zu Tabletten gepresst werden. Das<br />
DIE GUARDLOGIX-<br />
EINHEIT wird als<br />
interdisziplinäre,<br />
programmierbare<br />
Automatisierungssteuerung<br />
für die<br />
diskrete, Verarbeitungs-,<br />
Antriebsund<br />
Sicherheitssteuerung<br />
<strong>ein</strong>gesetzt.<br />
Bild: Rockwell<br />
KOMPAKTGRANULIERER für <strong>ein</strong>e Tablettenfabrik in Puerto<br />
Rico: Die Anlage von Diosna nutzt Allen-Bradley-Steuerungen<br />
für alle Aufgaben von der Chargensteuerung bis zur Sicherheitsinfrastruktur<br />
der Maschinen. Bild: Diosna<br />
24<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
mehrstufige Verfahren, das in dieser Diosna-Installation<br />
<strong>ein</strong>gesetzt wird, verwendet die programmierbare Allen-<br />
Bradley-GuardLogix-Automatisierungssteuerung zur<br />
Verwaltung der Chargen-Steuerung und der Prozessparametersteuerung<br />
der gesamten Automatisierung, die<br />
Maschine und die Materialien in Fluss hält, und nicht<br />
zuletzt auch der Sicherheitsinfrastruktur der Maschinen.<br />
Es umfasst außerdem die Integration mehrerer<br />
PowerFlex-Frequenzumrichter und weiterer externer<br />
Geräte, die über Ethernet angeschlossen sind.<br />
Dies ist <strong>ein</strong> anschauliches Beispiel für <strong>ein</strong>e GuardLogix-<br />
Einheit, die als interdisziplinäre, programmierbare Automatisierungssteuerung<br />
für die diskrete Verarbeitungs-, Antriebs-<br />
und Sicherheitssteuerung <strong>ein</strong>gesetzt wird. Dies bedeutet,<br />
dass nur <strong>ein</strong>e <strong>ein</strong>zige Softwareumgebung benötigt<br />
wird, um <strong>ein</strong>e komplexe Anwendung zu realisieren und so<br />
die Entwicklungszeiten verkürzt und die Entwicklung selbst<br />
ver<strong>ein</strong>facht wird. Henning Falk, Produktmanager für Wirbelschicht-<br />
und Beschichtungstechnologien bei Diosna erläutert:<br />
„Im Betrieb wird die Granuliererreihe mit allen sorgfältig<br />
bemessenen Rohmaterialien beschickt, die die Grundstoffe<br />
und die Wirkstoffe umfassen. Die Maschine mischt die<br />
Zutaten sorgfältig, bevor sie diese in granulierter Form an<br />
<strong>ein</strong>en Wirbelschichttrockner weiterleitet. Im Trockner wird<br />
dann die Feuchtigkeit entzogen, bis die erforderliche Trocknungsstufe<br />
erreicht ist, bevor das Material an <strong>ein</strong>en Zwischenbehälter<br />
weitergeleitet wird. In diesem Zwischenbehälter<br />
werden weitere Hilfsstoffe hinzugefügt und es findet <strong>ein</strong><br />
weiterer Mischvorgang statt. Sobald dieser letzte Mischvorgang<br />
abgeschlossen ist, werden die Rohstoffe an die Tablettenpresse<br />
weitergeleitet, in der das Endprodukt entsteht.“<br />
STRENGE KONTROLLEN IN ALLEN PHASEN<br />
„Während des gesamten Prozesses müssen in allen Phasen<br />
strenge Kontrollen durchgeführt werden“, fährt er fort.<br />
„Dies ist notwendig, um die Qualität, den Durchsatz und<br />
den Nutzungsgrad der Maschinen aufrecht erhalten zu<br />
können. Die programmierbare GuardLogix-Automatisierungssteuerung<br />
steuert alle Elemente des Verfahrens: Lüfter,<br />
Vakuumförderanlagen und den Mischer im Zwischenbehälter.<br />
Hierfür werden verschiedene Parameter wie<br />
Temperatur, Feuchtigkeit und Durchsatz überwacht. Alle<br />
unsere Maschinen sind maßgeschneidert. Sie wurden<br />
speziell nach den Anforderungen der Kunden konzipiert,<br />
wobei wir die Codeblöcke für Standardverfahren wiederverwenden<br />
können. Darüber hinaus haben wir festgestellt,<br />
dass sich die Programmbearbeitung mit den Allen-Bradley-Anlagen<br />
schnell und <strong>ein</strong>fach gestaltet. Einige der Berechnungen<br />
sind <strong>ein</strong>facher auszuführen als mit den Apparaturen<br />
von <strong>ein</strong>igen unserer anderen Lieferanten.“<br />
„Während des gesamten Projekts konnten wir auf die Unterstützung<br />
von Rockwell Automation zurückgreifen, von<br />
Unterstützung bei der Entwicklung bis hin zur Kommunikation“,<br />
so Falk abschließend. „Es war unser erstes Projekt<br />
mit dieser speziellen Hardware-Software-Kombination und<br />
dank des direkten Supports, den wir erhielten, konnten wir<br />
viel besser damit umgehen. Daher würde ich jeder Zeit wieder<br />
mit Rockwell Automation zusammenarbeiten.“<br />
Sichere Steuerungen<br />
Ab 2012 sind Hersteller von Maschinen und Anlagen aufgefordert,<br />
qualitative und quantitative Betrachtungen für ihre<br />
Sicherheitsfunktionen nach ISO 13849 beziehungsweise IEC<br />
62061 nachzuweisen. Auf Grundlage der verwendeten Sicherheitskomponenten<br />
beziehungsweise Sicherheitssysteme ist der<br />
Performance Level (PL) beziehungsweise Safety Integrity Level<br />
(SIL) für jede Sicherheitsfunktion zu berechnen.<br />
Auch im Bereich der notwendigen Dokumentationen, etwa über<br />
die bereit gestellten Sicherheitsfunktionen und deren individuelle<br />
Eigenschaften, sowie beim Einsatz von programmierbaren<br />
Lösungen sind die normativen Ansprüche gestiegen. Beide<br />
Normen beschreiben die Anforderungen an die sicherheitsbezogenen<br />
Anwendungssoftware, die die korrekte und fehlerfreie<br />
Ausführung von Sicherheitsfunktionen gewährleisten soll.<br />
In der Praxis hat der Maschinenbauer <strong>ein</strong>en Hardwareplan, auch<br />
für die Sicherheitstechnik, das heißt, die sicheren Ein- und<br />
Ausgänge sind definiert, die Zuordnung zu den Sensoren und den<br />
Aktuatoren ist vorhanden. Auch die Sicherheitsfunktionen sind<br />
bekannt und teilweise dokumentiert. Aber in vielen Fällen fehlt<br />
das Wissen und die Einsicht, die notwendigen Anforderungen<br />
gemäß den Normen an den Entwicklungsprozess (V-Modell)<br />
sowie die anschließende Verifikation und Validierungsphase<br />
(Testpläne) der Sicherheitssoftware umzusetzen. Hier geht viel<br />
Zeit und Geld verloren.<br />
Der Einsatz von programmierbarer<br />
Sicherheitstechnik ist<br />
<strong>ein</strong>e Herausforderung und<br />
Chance zu gleich, denn bei<br />
zunehmender Komplexität der<br />
Maschine und der engen<br />
Verknüpfung zwischen<br />
Sicherheit und Maschinenablauf<br />
kann <strong>ein</strong>e wirtschaftliche<br />
Lösung nur so erreicht werden.<br />
Autor<br />
Detlef Grundke ist Safety<br />
& Solutions Manager bei<br />
Rockwell Automation.<br />
Rockwell Automation GmbH<br />
Düsselberger Straße 15, D-42781 Haan-Gruiten,<br />
Tel. +49 (0) 2104 96 01 76,<br />
E-Mail: dgrunkde@ra.rockwell.com<br />
Internet: www.rockwellautomation.de<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011<br />
25
hauptbeitrag<br />
<strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung in<br />
frühen Entwicklungsphasen<br />
Ansatz basierend auf rigide definierten Softwarekomponenten<br />
Ein Automatisierungssystem soll den technischen Prozess, an den es gekoppelt ist, zuverlässig<br />
steuern und regeln. Je später <strong>ein</strong>e Abweichung von der geforderten <strong>Zuverlässigkeit</strong><br />
erkannt wird, umso aufwendiger sind die Nacharbeiten. Dies zeigen Rückrufe und Stillstände,<br />
die häufig Kosten im Bereich mehrerer Millionen verursachen. Zur Lösung dieser<br />
Herausforderung wird <strong>ein</strong> Konzept vorgestellt, das sowohl die Elektronik als auch die<br />
Software berücksichtigt und bereits in frühen Entwicklungsphasen anwendbar ist.<br />
SCHLAGWÖRTER <strong>Zuverlässigkeit</strong> / Überlebenswahrsch<strong>ein</strong>lichkeit /<br />
Softwarekomponenten / Frühe Entwicklungsphasen<br />
Reliability Evaluation of Industrial Automation Systems in Early Development Phases –<br />
An Approach Based on Rigidly Defined Software Components<br />
An industrial automation system must provide a reliable control of its associated technical<br />
process. The later reliability problems are discovered, the more time-consuming the<br />
activities to adapt the reliability will become. Product recalls and system downtimes<br />
often cause additional costs of several millions. As a solution to this problem, a concept<br />
is presented within this article, which takes both electronic and software into regard and<br />
which is applicable in early development phases.<br />
KEYWORDS Dependability / reliability / software components / early development phases<br />
26<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
Michael Wedel, Universität Stuttgart<br />
Automatisierungssysteme müssen immer<br />
komplexere Funktionen erfüllen, um technische<br />
Prozesse mit dem geforderten Ergebnis<br />
zu steuern, zu regeln und zu überwachen.<br />
Angesichts dessen wird es umso wichtiger,<br />
dass Automatisierungssysteme die ihnen übertragenen<br />
Funktionen zuverlässig erbringen. Damit<br />
dies erreicht wird, muss <strong>ein</strong>e geeignete <strong>Zuverlässigkeit</strong><br />
vorgegeben und im Rahmen der Entwicklung des<br />
Automatisierungssystems umgesetzt werden. Nur<br />
durch <strong>ein</strong>e Betrachtung der <strong>Zuverlässigkeit</strong> bereits in<br />
frühen Entwicklungsphasen ist es möglich, aufwendige<br />
Nacharbeiten kurz vor oder sogar nach Auslieferung<br />
an den Kunden zu vermeiden. Dabei stellen die<br />
Komplexität der Automatisierungssysteme und insbesondere<br />
der hohe Anteil an programmierbarer Elektronik<br />
wesentliche Herausforderungen dar. Ein geeignetes<br />
Konzept wird im Folgenden entwickelt. Als<br />
Grundlage dafür wird zunächst die Problematik der<br />
<strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung in frühen Entwicklungsphasen<br />
betrachtet.<br />
1. Problematik der <strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung<br />
Unter der <strong>Zuverlässigkeit</strong> wird die Wahrsch<strong>ein</strong>lichkeit<br />
verstanden, dass <strong>ein</strong> System korrekt funktioniert (siehe<br />
[1]). Dies wird in [2] auch als die Überlebenswahrsch<strong>ein</strong>lichkeit<br />
(reliability) bezeichnet, dass „<strong>ein</strong>e Einheit <strong>ein</strong>e<br />
geforderte Funktion für <strong>ein</strong> gegebenes Zeitintervall (t 1<br />
, t 2<br />
)<br />
erfüllen kann“.<br />
Die Überlebenswahrsch<strong>ein</strong>lichkeit wird dadurch<br />
be<strong>ein</strong>flusst, ob bei Anforderung <strong>ein</strong>er Funktion <strong>ein</strong><br />
Fehler aktiviert wird und das resultierende fehlerhafte<br />
Ergebnis zu den Schnittstellen des Automatisierungssystems<br />
gelangt. Demnach hängt die <strong>Zuverlässigkeit</strong><br />
zum <strong>ein</strong>en davon ab, ob Fehler im Automatisierungssystem<br />
vorhanden sind, und zum anderen, ob<br />
daraus fehlerhafte Ergebnisse entstehen und diese an<br />
die Systemschnittstellen weitergeleitet werden.<br />
1.1 Fehlermechanismen<br />
Das Vorhandens<strong>ein</strong> von Fehlern wird durch verschiedene<br />
Mechanismen ausgelöst. Zur näheren Charakterisierung<br />
wird zwischen Fehlern aufgrund von Ausfallmechanismen<br />
und inhärenten Fehlern unterschieden [3]:<br />
Bei Fehlern aufgrund von Ausfallmechanismen ist<br />
die betrachtete Einheit bei Inbetriebnahme fehlerfrei.<br />
Ein Fehler tritt erst durch chemische oder<br />
physikalische Vorgänge während des Betriebs auf.<br />
Davon betroffen sind elektronische Bauteile, bei<br />
denen die Beanspruchung im Betrieb Fehler hervorrufen<br />
kann.<br />
Inhärente Fehler sind bereits vor Inbetriebnahme<br />
vorhanden. Die Ursache <strong>ein</strong>es Fehlers liegt dabei in<br />
<strong>ein</strong>em menschlichen Irrtum, der während der Entwicklung<br />
begangen wurde. Da elektronische Bauteile<br />
in großen Stückzahlen <strong>ein</strong>gesetzt und sehr ausführlich<br />
getestet werden, liegt das Hauptaugenmerk<br />
auf inhärenten Fehlern in der Software.<br />
Angesichts dieser beiden Fehlermechanismen werden<br />
unterschiedliche <strong>Zuverlässigkeit</strong>skenngrößen und -modelle<br />
<strong>ein</strong>gesetzt, um die Wahrsch<strong>ein</strong>lichkeit zu quantifizieren,<br />
dass <strong>ein</strong>e Einheit korrekt funktioniert. Zur Beschreibung<br />
der Ausfallmechanismen wird die Ausfallrate<br />
λ verwendet. Eine Ausfallrate gibt nach [4] die Ausfälle<br />
auf <strong>ein</strong>e bestimmte Zeitdauer bezogen an, zum Beispiel<br />
Ausfälle pro Milliarde Stunden (10 ‐9 h ‐1 ).<br />
Inhärente Fehler sind bereits vor Inbetriebnahme vorhanden,<br />
weswegen es nicht notwendig ist, das Auftreten<br />
während des Betriebs zu modellieren. Stattdessen wird<br />
betrachtet, ob <strong>ein</strong> vorhandener Fehler während des Betriebs<br />
aktiviert und dadurch <strong>ein</strong> fehlerhaftes Ergebnis von<br />
außen beobachtet wird. Entsprechend der Definition der<br />
<strong>Zuverlässigkeit</strong> wird diese als relative Häufigkeit, bezogen<br />
auf die Anzahl aller Funktionsaufrufe, ausgedrückt.<br />
(1)<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011<br />
27
ʎ<br />
Hauptbeitrag<br />
BILD 1: Ermittlung<br />
empirischer Daten für<br />
individuell entwickelte<br />
Software<strong>ein</strong>heiten<br />
Testfall<br />
Vorgabe der Testfälle anhand<br />
der später en Betriebsbedingungen<br />
Testdurchführung<br />
und -auswertung<br />
Ergebnis<br />
• korrekt Korrekt<br />
Versagt<br />
• fehlerhaft<br />
Empirische Daten<br />
Anzahl<br />
•korrekter Ausfü<br />
• aller Aufrufe<br />
R Software<br />
BILD 2: Aufbau<br />
<strong>ein</strong>er Katalogangabe<br />
für elektronische<br />
Bauteile (siehe [5])<br />
Generische Basis -Ausfallrate<br />
P = Funktion ( G , π i ) Parameter zur Anpassung<br />
ʎ<br />
Ausfallrate des Bauteils<br />
BILD 3: Fehlerbaum<br />
zur Kombination der<br />
Ausfälle elektronischer<br />
Bauteile<br />
Kombination durch<br />
logische Operatoren<br />
Fehlerhaftes Verhalten des Systems<br />
}<br />
≥1<br />
&<br />
X 1<br />
X 2<br />
X 3<br />
}<br />
Ausfälle der<br />
elektronischen Bauteile<br />
Demnach ergibt sich die <strong>Zuverlässigkeit</strong>, wie in der<br />
Formel gezeigt, aus dem Quotienten der Anzahl der korrekten<br />
Ausführungen und der Anzahl aller Aufrufe.<br />
1.2 Herausforderungen<br />
Sowohl für die Bestimmung der Ausfallrate als auch der<br />
relativen Häufigkeit sind empirische Daten erforderlich.<br />
Für die Ausfallrate müssen Ausfälle in Abhängigkeit der<br />
Zeit beobachtet werden. Dazu müssen mehrere gleichartige<br />
elektronische Einheiten betrieben und die Zeitpunkte<br />
der Ausfälle notiert werden. Gegebenenfalls werden<br />
darüber hinaus Tests unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen<br />
durchgeführt, beispielsweise um die<br />
Abhängigkeit von der Temperatur empirisch zu ermitteln.<br />
Analog müssen Software<strong>ein</strong>heiten unter solchen Betriebsbedingungen<br />
getestet werden, dass <strong>ein</strong>e statistisch repräsentative<br />
Aussage abgeleitet werden kann (Bild 1). Diese gibt an,<br />
mit welcher Wahrsch<strong>ein</strong>lichkeit die Software<strong>ein</strong>heit bei<br />
Aufruf <strong>ein</strong>er Funktion <strong>ein</strong> korrektes Ergebnis liefert.<br />
Zur Bewertung der <strong>Zuverlässigkeit</strong> <strong>ein</strong>es Automatisierungssystems<br />
sind demnach empirische Daten zum integrierten<br />
System, bestehend aus Elektronik und Software,<br />
erforderlich. Dazu ist der Test des integrierten<br />
Automatisierungssystems notwendig, welcher jedoch<br />
erst nach Abschluss der Implementierung und damit spät<br />
im Entwicklungsprozess möglich ist. Eine Betrachtung<br />
der frühen Entwicklungsphasen zeigt demgegenüber,<br />
dass aus der Systemanalyse und dem Systementwurf<br />
lediglich folgende Informationen zur Verfügung stehen:<br />
die Anforderungen, welche die Systemfunktionen<br />
vorgeben, die das Automatisierungssystem zu<br />
erbringen hat<br />
die Systemarchitektur des Automatisierungssystems<br />
Daraus ergibt sich die Herausforderung, dass die <strong>Zuverlässigkeit</strong><br />
<strong>ein</strong>es Automatisierungssystems anhand dieser<br />
Information zu bewerten ist, wobei sowohl Elektronik als<br />
auch Software zu berücksichtigen sind. Weiterhin muss<br />
die <strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung so aussagekräftig s<strong>ein</strong>,<br />
dass weitere Maßnahmen, die zur Einhaltung <strong>ein</strong>es vorgegebenen<br />
<strong>Zuverlässigkeit</strong>sziels notwendig sind, daraus<br />
abgeleitet werden können.<br />
2. Methoden in frühen Entwicklungsphasen<br />
2.1 <strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung elektronischer Systeme<br />
Der Standard [5] erläutert das Konzept zur <strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung<br />
elektronischer Systeme. Das Grundprin-<br />
28<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
zip beruht auf der Bestimmung der <strong>Zuverlässigkeit</strong> der<br />
elektronischen Bauteile, aus denen sich das System zusammensetzt,<br />
und deren Kombination zur Systemzuverlässigkeit.<br />
Die <strong>Zuverlässigkeit</strong> der <strong>ein</strong>zelnen Bauteile wird<br />
aus Katalogangaben ermittelt. Eine solche Katalogangabe<br />
umfasst nach [5] typischerweise <strong>ein</strong>e unveränderliche,<br />
generische Basisausfallrate, welche gegebenenfalls durch<br />
zusätzliche Parameter an unterschiedliche Umgebungsbedingungen<br />
anpassbar ist (siehe Bild 2).<br />
Diese Katalogangaben beruhen auf der Auswertung von<br />
Betriebserfahrung mit den jeweiligen Bauteilen. Sie werden<br />
entweder vom Hersteller bereitgestellt oder beim Vergleich<br />
mit ähnlichen Bauteilen, etwa anhand frei verfügbarer<br />
Handbücher wie [6], bestimmt. Dadurch, dass die<br />
elektronischen Bauteile standardisiert sind und unverändert<br />
in großen Stückzahlen verkauft werden, sind <strong>ein</strong>mal<br />
empirisch ermittelte Daten für <strong>ein</strong> Bauteil unter Beachtung<br />
der Betriebsbedingungen auch beim Einsatz in verschiedenen<br />
Systemen gültig. Weiterhin sind die elektronischen<br />
Bauteile aufgrund der hohen Stückzahl betriebsbewährt,<br />
wodurch von <strong>ein</strong>er gleichbleibend hohen Qualität mit geringen<br />
Schwankungen auszugehen ist. Die Katalogangabe<br />
ist entweder für <strong>ein</strong> bestimmtes elektronisches Bauteil<br />
oder für <strong>ein</strong>e Gruppe ähnlicher Bauteile gültig.<br />
Nachdem die <strong>Zuverlässigkeit</strong> der <strong>ein</strong>zelnen Bauteile<br />
bekannt ist, werden diese zur Systemzuverlässigkeit<br />
kombiniert. Hierfür werden häufig <strong>Zuverlässigkeit</strong>smodelle<br />
wie zum Beispiel Fehlerbäume [7] oder <strong>Zuverlässigkeit</strong>sblockdiagramme<br />
[8] verwendet, welche das fehlerhafte<br />
Verhalten <strong>ein</strong>es Systems auf die Ausfälle elektronischer<br />
Bauteile mittels logischer Operatoren zurückführen<br />
(Bild 3).<br />
Der Vorteil dieser Modelle liegt darin, dass sie bereits<br />
in frühen Entwicklungsphasen aus der Analyse der Systemarchitektur<br />
abgeleitet werden können. Eine Einbeziehung<br />
der Software ist jedoch bei der beschriebenen<br />
Vorgehensweise nicht vorgesehen.<br />
2.2 <strong>Zuverlässigkeit</strong>sprognose für Softwaresysteme<br />
Um <strong>ein</strong>e <strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung für Software zu erreichen,<br />
gibt es Ansätze, die <strong>Zuverlässigkeit</strong>smodelle für<br />
elektronische Systeme auch auf Software anzuwenden.<br />
Ein Beispiel ist die Software-Fehlerbaumanalyse [9], welche<br />
untersucht, ob <strong>ein</strong> Ausführungspfad in der Software<br />
zu <strong>ein</strong>em fehlerhaften Ergebnis auf Systemebene führt.<br />
Für diese Analyse müssen die Wahrsch<strong>ein</strong>lichkeiten für<br />
die Ausführung <strong>ein</strong>zelner Teile des Quellcodes bekannt<br />
s<strong>ein</strong>. Da die Implementierung <strong>ein</strong>es individuell zu entwickelnden<br />
Softwaresystems in frühen Entwicklungsphasen<br />
noch nicht begonnen wurde, sind diese Wahrsch<strong>ein</strong>lichkeiten<br />
jedoch nicht verfügbar. Daher ist <strong>ein</strong>e Anwendung<br />
auf individuell entwickelte Software nicht möglich.<br />
Ähnliche Nachteile weisen auch die architekturbasierten<br />
Modelle in frühen Entwicklungsphasen auf. Zwar<br />
erlauben diese die Kombination <strong>ein</strong>zelner <strong>Zuverlässigkeit</strong>en<br />
anhand der Systemarchitektur, setzen jedoch<br />
ebenfalls die Bekanntheit der <strong>Zuverlässigkeit</strong>en <strong>ein</strong>zelner<br />
Software<strong>ein</strong>heiten voraus. Ein Beispiel ist die Methode<br />
nach [10].<br />
Einen anderen Ansatz verfolgen Prognosemodelle, die<br />
anhand von Eigenschaften der Software oder des Entwicklungsprozesses<br />
<strong>ein</strong>e grobe Schätzung der Anzahl<br />
der Fehler in <strong>ein</strong>er Software<strong>ein</strong>heit vornehmen. Ein<br />
Nachteil dieser Modelle ist in der hohen Variation zwischen<br />
individuell entwickelten Software<strong>ein</strong>heiten begründet.<br />
Demnach ist nicht davon auszugehen, dass <strong>ein</strong><br />
abstrakt gefasster Einflussfaktor, wie zum Beispiel die<br />
Komplexität, die Anzahl der Fehler in jeder beliebigen<br />
Software<strong>ein</strong>heit stets in gleicher Weise be<strong>ein</strong>flusst. Darüber<br />
hinaus ist es nicht möglich, aus der Anzahl der<br />
Fehler die <strong>Zuverlässigkeit</strong> im späteren Betrieb mit hoher<br />
Aussagekraft abzuleiten.<br />
Angesichts der beschriebenen Nachteile wird insbesondere<br />
für Software <strong>ein</strong> geeignetes Konzept zur <strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung<br />
in frühen Entwicklungsphasen<br />
benötigt, das <strong>ein</strong>e Integration mit den Methoden für elektronische<br />
Systeme ermöglicht. Die grundlegende Lösungsidee<br />
und das daraus resultierende Konzept werden<br />
in den folgenden beiden Abschnitten hergeleitet.<br />
3. Ansatz: Rigide definierte<br />
Softwarekomponenten<br />
In Analogie zur Elektronik werden in der Softwareentwicklung<br />
die Themen der Standardisierung und der<br />
Mehrfachverwendung diskutiert [11]. Die Motivation hierfür<br />
bilden insbesondere ökonomische Gründe, da bei <strong>ein</strong>er<br />
mehrfachen Verwendung der Aufwand für die Entwicklung,<br />
Validierung und Verifikation auf mehrere Systeme<br />
umgelegt wird. Dadurch ist <strong>ein</strong>e hohe Qualität<br />
wirtschaftlicher zu erreichen, als bei individuell entwickelten<br />
Software<strong>ein</strong>heiten. Dass dieser Ansatz nicht nur<br />
theoretisch betrachtet wird, sondern auch Bedeutung in<br />
der Praxis besitzt, zeigen aktuelle Entwicklungen wie<br />
zum Beispiel Autosar in der Automobilindustrie [12].<br />
Im vorherigen Abschnitt hat die Analyse bestehender<br />
Ansätze der <strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung für Software gezeigt,<br />
dass <strong>ein</strong> wesentliches Problem in frühen Entwicklungsphasen<br />
in der unbekannten <strong>Zuverlässigkeit</strong> <strong>ein</strong>zelner<br />
Software<strong>ein</strong>heiten besteht. Dabei verhindert die hohe<br />
Varianz bei individuell entwickelten Software<strong>ein</strong>heiten<br />
die Übertragung <strong>ein</strong>mal ermittelter empirischer Daten<br />
auf neue Entwicklungen. Die Betrachtung mehrfach verwendbarer<br />
Software<strong>ein</strong>heiten ermöglicht die Behebung<br />
dieses Problems.<br />
Um dies zu erreichen, ist <strong>ein</strong>e rigide Definition erforderlich,<br />
wonach <strong>ein</strong>e Veränderung der Software<strong>ein</strong>heiten<br />
zwischen dem Einsatz in verschiedenen Softwaresystemen<br />
nicht zulässig ist. Diese Voraussetzung wird durch<br />
die strukturierten Softwarekomponenten aus [13] erfüllt,<br />
deren rigide Merkmale in TABELLE 1 zusammengefasst<br />
sind. Wesentlich für die <strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung ist,<br />
dass diese Softwarekomponenten nur über definierte<br />
Schnittstellen mit<strong>ein</strong>ander verknüpft werden können.<br />
Eine Anpassung ist ausschließlich über die Konfiguration<br />
möglich, indem vorgegebene Parameter und Optionen mit<br />
Werten belegt werden. Dadurch werden das Verhalten und<br />
der Funktionsumfang dieser Softwarekomponenten angepasst,<br />
ohne die Softwarekomponente selbst zu verändern.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011<br />
29
Hauptbeitrag<br />
Zur grafischen Modellierung der komponentenbasierten<br />
Softwaresysteme wird nach [13] die Unified<br />
Modeling Language (UML) verwendet, welche durch<br />
Profile erweiterbar ist. Bild 4 zeigt <strong>ein</strong> UML-Modell<br />
<strong>ein</strong>er Systemarchitektur, bestehend aus zwei Softwarekomponenten.<br />
Die dort enthaltenen Informationen<br />
über die Konfiguration und Verknüpfung der Softwarekomponenten<br />
sind bereits in frühen Entwicklungsphasen<br />
verfügbar.<br />
Aufgrund der rigiden Definition wird <strong>ein</strong>e Softwarekomponente<br />
unverändert in mehreren Softwaresystemen<br />
verwendet. Dadurch ist es möglich, empirische<br />
Daten <strong>ein</strong> Mal zu ermitteln und hieraus <strong>ein</strong>e <strong>Zuverlässigkeit</strong>saussage<br />
abzuleiten, welche auf verschiedene<br />
Softwaresysteme mit hoher Aussagekraft übertragbar ist.<br />
Im Folgenden wird untersucht, welches Vorgehen zur<br />
Ermittlung von <strong>Zuverlässigkeit</strong>saussagen für Softwarekomponenten<br />
notwendig ist. Weiterhin wird betrachtet,<br />
wie die <strong>Zuverlässigkeit</strong>en der <strong>ein</strong>zelnen Softwarekomponenten<br />
anhand der Angaben zur Systemarchitektur<br />
mit<strong>ein</strong>ander kombiniert und wie Katalogangaben<br />
für elektronische Bauteile integriert werden.<br />
4. Konzept der <strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung<br />
4.1 <strong>Zuverlässigkeit</strong>saussagen für<br />
Softwarekomponenten<br />
Eine <strong>Zuverlässigkeit</strong>saussage muss die <strong>Zuverlässigkeit</strong> der<br />
Softwarekomponente in verschiedenen Softwaresystemen<br />
jeweils mit hoher Aussagekraft beschreiben. Um dies<br />
zu gewährleisten, wird ausgehend von der rigiden Definition<br />
untersucht, welche Faktoren das Vorhandens<strong>ein</strong><br />
von Fehlern in <strong>ein</strong>er Softwarekomponente be<strong>ein</strong>flussen.<br />
Weiterhin wird betrachtet, wodurch diese Fehler aktiviert<br />
werden, sodass <strong>ein</strong> fehlerhaftes Ergebnis an den Schnittstellen<br />
<strong>ein</strong>er Softwarekomponente auftritt.<br />
Aufgrund der Unveränderbarkeit sind Fehler, die während<br />
der Entwicklung begangen wurden, in <strong>ein</strong>er Softwarekomponente<br />
unabhängig von dem Einsatz in <strong>ein</strong>em<br />
bestimmten Softwaresystem vorhanden. Eine Veränderung<br />
der Anzahl der Fehler, die im Betrieb aktiviert werden<br />
können, ist in engem Rahmen durch fest vorgegebene<br />
Konfigurations<strong>ein</strong>stellungen möglich. Weiterhin<br />
hängt die Aktivierung vorhandener Fehler von den expliziten<br />
Verknüpfungen mit anderen Softwarekomponenten,<br />
externen Systemen und Nutzern des Softwaresystems<br />
ab. Die Einflussfaktoren durch die Konfiguration<br />
und die Aktivierung werden unter dem Begriff<br />
der Anforderungskonstellation zusammengefasst. Diese<br />
beschreibt nach [14] allgem<strong>ein</strong> das Zusammentreffen<br />
externer Ereignisse an <strong>ein</strong>e Software<strong>ein</strong>heit.<br />
Um die Wahrsch<strong>ein</strong>lichkeit für <strong>ein</strong>e korrekte Ausführung<br />
und damit <strong>ein</strong>e aussagekräftige <strong>Zuverlässigkeit</strong>saussage<br />
zu bestimmen, muss <strong>ein</strong>e Softwarekomponente mit<br />
unterschiedlichen Anforderungskonstellationen getestet<br />
werden. Allerdings kann die Anzahl aller möglichen Anforderungskonstellationen<br />
bereits bei <strong>ein</strong>fachen Softwarekomponenten<br />
<strong>ein</strong>en Bereich von 10 6 und größer erreichen.<br />
Daher ist <strong>ein</strong>e vollständige Überprüfung auf <strong>ein</strong><br />
korrektes oder fehlerhaftes Ergebnis im Allgem<strong>ein</strong>en<br />
nicht möglich. Aus diesem Grund ist <strong>ein</strong>e geeignete und<br />
repräsentative Auswahl aus allen Anforderungskonstellationen<br />
zu treffen. Als Grundprinzip wird dazu die<br />
Äquivalenzklassenbildung verwendet. Angewandt auf<br />
Softwarekomponenten umfasst <strong>ein</strong>e Äquivalenzklasse<br />
die Anforderungskonstellationen, für die sich <strong>ein</strong>e Softwarekomponente<br />
jeweils äquivalent, das heißt auf vergleichbare<br />
Weise, verhält (siehe [15]). Bild 5 zeigt, wie die<br />
Wertebereiche der Schnittstellenoperationen und der<br />
Konfiguration in Intervalle mit äquivalentem Verhalten<br />
unterteilt werden. Indem jeweils <strong>ein</strong> Wert aus <strong>ein</strong>em Intervall<br />
ausgewählt und dann zur Anforderungskonstellation<br />
kombiniert wird, reduziert sich die Anzahl der zu<br />
testenden Anforderungskonstellationen wesentlich.<br />
Die <strong>Zuverlässigkeit</strong>saussage wird durch Auswertung<br />
der empirischen Daten aus dem Test ermittelt. Aufgrund<br />
der Betriebsbewährtheit <strong>ein</strong>er mehrfach verwendeten<br />
Softwarekomponente ist im <strong>ein</strong>fachsten Fall <strong>ein</strong>e hohe<br />
<strong>Zuverlässigkeit</strong> mit geringen Schwankungen zu erwarten.<br />
Für diesen Fall berechnet sich <strong>ein</strong>e konstante <strong>Zuverlässigkeit</strong>saussage<br />
R * aus dem Quotienten aller fehlerfreien<br />
Ergebnisse und der Anzahl aller Aufrufe der Softwarekomponente.<br />
Beispielsweise ergibt sich bei 1880<br />
korrekten Ausführungen aus insgesamt 2000 Aufrufen<br />
die <strong>Zuverlässigkeit</strong>saussage R * = 0,94 wie in Formel (2)<br />
gezeigt.<br />
(2)<br />
Die Genauigkeit <strong>ein</strong>er <strong>Zuverlässigkeit</strong>saussage hängt<br />
von der repräsentativen Auswahl der Anforderungskonstellationen<br />
und der Anzahl der beobachteten Aufrufe<br />
der Softwarekomponente ab. Zur Abschätzung können<br />
Verfahren der Regressionanalyse und der Konfidenzintervalle<br />
<strong>ein</strong>gesetzt werden (siehe Einführung in [16]). Je<br />
kl<strong>ein</strong>er <strong>ein</strong> Konfidenzintervall ist, umso höher ist die<br />
Genauigkeit der Aussage. Aufgrund der insgesamt 2000<br />
Aufrufe aus dem Beispiel ergibt sich etwa <strong>ein</strong> 95 %-Konfidenzintervall<br />
für die <strong>Zuverlässigkeit</strong>saussage R * , das<br />
zwischen 0,93 und 0,95 liegt. Alternative Verfahren des<br />
statistischen Tests stellen ebenfalls <strong>ein</strong>en Zusammenhang<br />
zwischen der Anzahl der Testfälle und der Genauigkeit<br />
her, allerdings typischerweise unter der Voraussetzung,<br />
dass <strong>ein</strong>e Anzahl von Ausführungen in Folge<br />
korrekt ist (siehe [17]).<br />
4.2 <strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung <strong>ein</strong>es Softwaresystems<br />
Durch die <strong>Zuverlässigkeit</strong>saussagen sind die <strong>Zuverlässigkeit</strong>en<br />
der Softwarekomponenten in frühen Entwicklungsphasen<br />
verfügbar. Um daraus die <strong>Zuverlässigkeit</strong><br />
des Softwaresystems zu berechnen, ist <strong>ein</strong>e Formel erfor-<br />
30<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
}<br />
Merkmal<br />
Funktionale Geschlossenheit<br />
Strukturelle Unabhängigkeit<br />
Einmaligkeit<br />
Anpassbarkeit<br />
Verknüpfbarkeit<br />
Nebenläufigkeit<br />
Unveränderbarkeit durch Dritte<br />
Offenheit<br />
Beschreibung<br />
Logisch zusammenhängende, explizit abgegrenzte Funktionalität<br />
K<strong>ein</strong>e Vorgabe fester Verknüpfungen zu anderen Systembestandteilen<br />
Eigenständige Erzeugung und Verwaltung innerer Zustände<br />
Anpassung an spezielle Anforderungen und Randbedingungen<br />
in vorgegebenen Grenzen<br />
Verknüpfung mit anderen Komponenten oder Systembestandteilen<br />
Ausführbarkeit als paralleler Prozess im Bedarfsfall<br />
Einsatz durch Dritte nur in unveränderter Form,<br />
Zugriff nur über definierte Schnittstellen<br />
Offenlegung des Komponentenmodells und der Spezifikationen<br />
aller Schnittstellen<br />
TABELLE 1: Merkmale <strong>ein</strong>er rigide definierten Softwarekomponente nach [13]<br />
Werte zur Konfiguration von<br />
Parametern und Optionen<br />
Schnittstelle mit nach<br />
außen verfügbaren<br />
Funktionen<br />
Verknüpfung über<br />
die Schnittstellen<br />
«ActiveComponent»<br />
swKomponenteA<br />
PARAMETER 38<br />
OPTION YES<br />
«PassiveComponent »<br />
sw KomponenteB<br />
BILD 4: UML-Modell<br />
der Systemarchitektur<br />
<strong>ein</strong>es komponentenbasierten<br />
Softwaresystems<br />
Intervallbildung für die Werte<br />
von PARAMETER<br />
Auswahl <strong>ein</strong>es Werts aus jedem Intervall<br />
Intervallbildung für die Eingaben<br />
der Schnittstellenoperation<br />
0 72 128<br />
255<br />
Auswahl <strong>ein</strong>es Werts aus jedem Intervall<br />
- 32.768 -11.244 10.386 32.767<br />
PARAMETER : int<br />
«PassiveComponent »<br />
swKomponente<br />
Kombination der<br />
ausgewählten Werte<br />
zu den Anforderungskonstellationen<br />
für<br />
den Test<br />
BILD 5: Ermittlung<br />
der Anforderungskonstellationen<br />
für<br />
den Test <strong>ein</strong>er<br />
Softwarekomponente<br />
durch Äquivalenzklassenbildung<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011<br />
31
}<br />
Hauptbeitrag<br />
BILD 6: Goalias<br />
auf der Messe am<br />
Stuttgarter<br />
Flughafen [18]<br />
λ = 4·10 -9 h -1<br />
R = 1,0<br />
λ = 6·10 -8 h -1<br />
R = 0,99<br />
BILD 7: Entwurfsszenario<br />
<strong>ein</strong>es neu<br />
zu entwickelnden<br />
Automatisierungssystems<br />
für<br />
Goalias mit den<br />
<strong>Zuverlässigkeit</strong>en<br />
der elektronischen<br />
Bauteile und der<br />
Softwarekomponenten<br />
Elektronische<br />
Bauteile<br />
Kamera1<br />
Kamera2<br />
Kamera3<br />
λ = 1 ·10 -5 h -1<br />
R = 0,85<br />
Mikrocontroller<br />
«artifact»<br />
Ausführbare Software<br />
«manifest»<br />
«ActiveComponent»<br />
swFlugbahn<br />
R = 0,95<br />
Elektronische<br />
Motorsteuerung<br />
Zuordnung zwischen<br />
Software und Elektronik<br />
«ActiveComponent»<br />
swMotor<br />
R = 0,99<br />
}<br />
Softwarekomponenten<br />
BILD 8: UML-Use-<br />
Case-Diagramm mit<br />
Erweiterungen zur<br />
<strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung<br />
Benutzer<br />
«system function»<br />
Flugbahn berechnen<br />
{ g = 0.5;<br />
comps = (1.0, swFlugbahn);<br />
parts = (0.6, Kamera 1),<br />
(0.6, Kamera 2), (0.6, Kamera 3),<br />
(1.0, Mikrocontroller) }<br />
«system function»<br />
Torwart auslenken<br />
{ g = 0.5;<br />
comps = (1.0, swMotor);<br />
parts = (1.0, Motorsteuerung ),<br />
(1.0, Mikrocontroller) }<br />
Systemfunktion<br />
Gewichtung der Systemfunktion<br />
Zugehörige Softwarekomponente<br />
mit Gewichtung<br />
Zugehörige elektronische Bauteile<br />
mit Gewichtung<br />
32<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
derlich, welche die Systemzuverlässigkeit als mathematische<br />
Funktion der <strong>Zuverlässigkeit</strong>en der <strong>ein</strong>zelnen Softwarekomponenten<br />
ausdrückt. An <strong>ein</strong>er Systemfunktion<br />
sind jeweils verschiedene Softwarekomponenten beteiligt.<br />
Tritt bei <strong>ein</strong>er beteiligten Softwarekomponente <strong>ein</strong><br />
fehlerhaftes Ergebnis auf und wird die Weiterleitung an<br />
die Schnittstellen des Softwaresystems nicht durch fehlertolerante<br />
Maßnahmen verhindert, so führt dies zu <strong>ein</strong>er<br />
fehlerhaften Systemfunktion. Dies bildet die Grundlage<br />
für die Herleitung <strong>ein</strong>er geeigneten Funktion.<br />
Zur Bestimmung <strong>ein</strong>er unteren Schranke der Systemzuverlässigkeit<br />
wird von dem ungünstigsten Fall ausgegangen,<br />
dass für die korrekte Ausführung <strong>ein</strong>er Systemfunktion<br />
alle Softwarekomponenten benötigt werden.<br />
Die Systemzuverlässigkeit errechnet sich für diesen<br />
Fall aus der Wahrsch<strong>ein</strong>lichkeit, dass alle<br />
Softwarekomponenten <strong>ein</strong> korrektes Ergebnis liefern.<br />
Aufgrund der rigiden Definition ist <strong>ein</strong>e Softwarekomponente<br />
in sich geschlossen und hat k<strong>ein</strong>en Einfluss auf<br />
die Implementierung anderer Softwarekomponenten.<br />
Unter dieser Voraussetzung der Unabhängigkeit berechnet<br />
sich die gesuchte Wahrsch<strong>ein</strong>lichkeit durch das<br />
Produkt der <strong>Zuverlässigkeit</strong>en R i<br />
aller m Komponenten<br />
des Softwaresystems.<br />
(3)<br />
Zusätzlich zur unteren Schranke werden zwei Erweiterungen<br />
<strong>ein</strong>geführt, durch die sich die Genauigkeit aber<br />
auch der Aufwand der <strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung erhöhen.<br />
Dazu wird <strong>ein</strong>e Funktions-Komponenten-Menge<br />
definiert, welche genau die Softwarekomponenten enthält,<br />
die gem<strong>ein</strong>sam zu <strong>ein</strong>er bestimmten Systemfunktion<br />
beitragen. Anhand dieser Funktions-Komponenten-<br />
Menge M wird die <strong>Zuverlässigkeit</strong> <strong>ein</strong>er Systemfunktion<br />
durch das Produkt der <strong>Zuverlässigkeit</strong>en R i<br />
der jeweils<br />
daran beteiligten Softwarekomponenten bestimmt. In<br />
der Formel (4) tragen beispielsweise die <strong>Zuverlässigkeit</strong>en<br />
R 1<br />
und R 3<br />
, nicht aber R 2<br />
, zur <strong>Zuverlässigkeit</strong> der Systemfunktion<br />
bei.<br />
(4)<br />
Ausgehend davon ist aus den <strong>Zuverlässigkeit</strong>en der<br />
Systemfunktionen die Systemzuverlässigkeit zu berechnen.<br />
Dazu wird in <strong>ein</strong>er ersten Erweiterung der Anteil<br />
betrachtet, mit dem die Systemfunktionen in die Gesamtfunktionalität<br />
des Softwaresystems <strong>ein</strong>gehen. Ob<br />
<strong>ein</strong>e Systemfunktion kritisch ist, hängt davon ab, zu<br />
welchen Folgen <strong>ein</strong> fehlerhaftes Ergebnis der Systemfunktion<br />
führt und wie häufig diese im Betrieb aufgerufen<br />
wird. Dementsprechend wird den Systemfunktionen<br />
<strong>ein</strong>e Gewichtung g Systemfunktion_k zwischen null (unkritisch)<br />
und <strong>ein</strong>s (kritisch) zugewiesen. Die Systemzuverlässigkeit<br />
wird dann durch die gewichtete Summation der<br />
<strong>Zuverlässigkeit</strong>en R Systemfunktion_k der insgesamt n Systemfunktionen<br />
berechnet, Formel (5).<br />
<br />
(5)<br />
Darüber hinaus wird in der zweiten Erweiterung der<br />
Anteil <strong>ein</strong>er Softwarekomponente an der jeweiligen Systemfunktion<br />
mit <strong>ein</strong>bezogen. Demnach ist <strong>ein</strong>e Softwarekomponente<br />
in <strong>ein</strong>er Funktions-Komponenten-<br />
Menge nur an bestimmten Ausführungen der zugehörigen<br />
Systemfunktion beteiligt. Dadurch kann sich der<br />
Einfluss <strong>ein</strong>er Softwarekomponente auf die <strong>Zuverlässigkeit</strong><br />
der Systemfunktion verringern. Um dies zu berücksichtigen,<br />
werden auch die Softwarekomponenten innerhalb<br />
<strong>ein</strong>er Systemfunktion gewichtet. Zu diesem Zweck<br />
wird jeder Softwarekomponente <strong>ein</strong> Gewicht zwischen<br />
null und <strong>ein</strong>s zugewiesen. Befinden sich zum Beispiel<br />
zwei Softwarekomponenten mit den <strong>Zuverlässigkeit</strong>en<br />
R 1<br />
und R 2<br />
und den Gewichten g 1<br />
= 0,5 und g 2<br />
= 1,0 in <strong>ein</strong>er<br />
Funktions-Komponenten-Menge, so ergibt sich daraus<br />
die erweiterte Formel (6) für R Systemfunktion_1 .<br />
(6)<br />
Durch das beschriebene Vorgehen ist die <strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung<br />
der Software, abgestuft nach Aufwand<br />
und Genauigkeit, möglich. Für die Bestimmung <strong>ein</strong>er<br />
unteren Schranke ist der Aufwand für die Beschaffung<br />
der notwendigen Informationen gering. Darüber hinaus<br />
erlauben die beiden Erweiterungen <strong>ein</strong>e zusätzliche<br />
Erhöhung der Genauigkeit der <strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung.<br />
Damit die hierzu notwendigen Informationen in<br />
frühen Entwicklungsphasen auf systematische Weise<br />
dokumentiert sind, werden UML-Diagramme, insbesondere<br />
die Use-Case-Diagramme, erweitert. Mit Hilfe von<br />
Use Cases können die vom System geforderten Funktionen<br />
beschrieben werden. Zur Bildung der Funktions-<br />
Komponenten-Mengen werden die Use Cases um zusätzliche<br />
Notationselemente ergänzt. Dadurch werden<br />
die zu <strong>ein</strong>er Systemfunktion zugehörigen Softwarekomponenten<br />
und deren Gewichtungen angegeben (vergleiche<br />
Beispiel in Bild 8.<br />
4.3 Integrierte Betrachtung von<br />
Software und Elektronik<br />
Für die <strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung <strong>ein</strong>es programmierbaren<br />
Automatisierungssystems ist die integrierte Betrachtung<br />
von Elektronik und Software erforderlich. Um<br />
<strong>ein</strong>e integrierte Formel der Systemzuverlässigkeit zu ermitteln,<br />
werden die beschriebenen Funktions-Komponenten-Mengen<br />
um elektronische Bauteile erweitert und so<br />
zu Funktions-Mengen verallgem<strong>ein</strong>ert. Die Funktions-<br />
Mengen enthalten demnach neben den Softwarekomponenten<br />
auch die elektronischen Bauteile, welche an der<br />
jeweiligen Systemfunktion beteiligt sind. Dadurch lassen<br />
sich alle möglichen Kombinationen aus elektronischen<br />
Bauteilen und Softwarekomponenten, die bei der <strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung<br />
auftreten können, abbilden.<br />
Da die Formeln für die Systemzuverlässigkeit der Software<br />
aus der Funktions-Komponenten-Menge hergeleitet wurden,<br />
bleiben diese bei Erweiterung des Mengenbegriffs von Softwarekomponenten<br />
auf elektronische Bauteile unverändert<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011<br />
33
Hauptbeitrag<br />
gültig. Ebenso wie für die Softwarekomponenten wird auch<br />
für elektronische Bauteile <strong>ein</strong>e Gewichtung <strong>ein</strong>bezogen.<br />
6. Anwendung des Konzepts<br />
In frühen Entwicklungsphasen müssen verschiedene Entscheidungen<br />
getroffen werden, die <strong>ein</strong>en Einfluss auf die<br />
spätere <strong>Zuverlässigkeit</strong> des Systems haben. Je nach Entscheidung,<br />
beispielsweise für die Softwarekomponente<br />
<strong>ein</strong>es Zulieferers oder <strong>ein</strong>e bestimmte Konfiguration, entsteht<br />
<strong>ein</strong> anderes Entwurfsszenario. Der Einsatz des Konzepts<br />
der <strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung erlaubt bereits frühzeitig<br />
die Unterstützung bei<br />
der Bewertung der <strong>Zuverlässigkeit</strong> <strong>ein</strong>es <strong>ein</strong>zelnen<br />
Entwurfsszenarios und dem Abgleich mit <strong>ein</strong>em<br />
vor gegebenen <strong>Zuverlässigkeit</strong>sziel<br />
dem Vergleich mehrerer Entwurfsszenarien<br />
der Optimierung <strong>ein</strong>es Entwurfsszenarios durch<br />
die Identifikation möglicher Schwachstellen<br />
Darüber hinaus ist es möglich, für bisher noch unbekannte<br />
oder nicht verfügbare elektronische Bauteile und Softwarekomponenten<br />
abzuschätzen, welche <strong>Zuverlässigkeit</strong><br />
diese jeweils erfüllen müssen, damit das <strong>Zuverlässigkeit</strong>sziel<br />
des Automatisierungssystems erreicht wird.<br />
Zur Demonstration dieser Einsatzmöglichkeiten wird<br />
<strong>ein</strong> Entwurfsszenario für <strong>ein</strong> Automatisierungssystem<br />
in Anlehnung an Goalias erstellt. Bei Goalias handelt es<br />
sich um <strong>ein</strong>en automatisierten Torwart, der am Institut<br />
für Automatisierungs- und Softwaretechnik entwickelt<br />
und auf verschiedenen Messen und Veranstaltungen vorgeführt<br />
wurde (Bild 6).<br />
Der automatisierte Torwart hat die Aufgabe, Elfmeterschüsse<br />
auf das Tor zu halten. Dazu muss das Automatisierungssystem,<br />
das den technischen Prozess des Torwarts<br />
steuert, die Systemfunktionen Flugbahn berechnen<br />
und Torwart auslenken bereitstellen. Zur Realisierung<br />
dieser Systemfunktionen werden mehrere Kameras<br />
<strong>ein</strong>geplant, die jeweils aus <strong>ein</strong>em unterschiedlichen<br />
Blickwinkel das Spielfeld beobachten. Jede Kamera soll<br />
die Position des Balls für <strong>ein</strong>en bestimmten Bereich berechnen<br />
und liefert diese Information an <strong>ein</strong>en Mikrocontroller,<br />
dessen Software daraus die Flugbahn ermittelt.<br />
Mit Hilfe <strong>ein</strong>er elektronischen Motorsteuerung soll<br />
der Torwart dann durch <strong>ein</strong>e weitere Softwarekomponente<br />
ausgelenkt werden.<br />
Referenzen<br />
[1] Bertsche, B. und Lechner, G.: <strong>Zuverlässigkeit</strong> im Fahrzeugund<br />
Maschinenbau. Ermittlung von Bauteil- und System-<br />
<strong>Zuverlässigkeit</strong>en. Springer-Verlag, Berlin 2004<br />
[2] VDI 4001 Blatt 2: Terminologie der <strong>Zuverlässigkeit</strong>.<br />
Ver<strong>ein</strong> Deutscher Ingenieure, Juli 2006<br />
[3] Lauber, R. und Göhner, P.: Prozessautomatisierung 1.<br />
Springer-Verlag, Berlin 1999<br />
[4] Birolini, A.: Reliability engineering. Theory and Practice.<br />
Springer-Verlag, 2004<br />
[5] IEEE 1413.1: IEEE Guide for Selecting and Using Reliability<br />
Predictions Based on IEEE 1413. Institute of Electrical and<br />
Electronics Engineers, Februar 2003<br />
[6] MIL-HDBK-217: Reliability Prediction of Electronic<br />
Equipment, Ed. F 1991, Notice 2. Military Standard,<br />
Department of Defense, Februar 1995<br />
[7] DIN 25424 Teil 1: Fehlerbaumanalyse, Methode und Bild -<br />
zeichen. Deutsches Institut für Normung, September 1981<br />
[8] DIN EN 61708: Techniken für die Analyse der <strong>Zuverlässigkeit</strong><br />
– Zuverlässig-keitsblockdiagramm und Boole’sche<br />
Verfahren. Deutsches Institut für Normung, Oktober 2006<br />
[9] Leveson, N. G.: Safeware. System safety and computers.<br />
Addison-Wesley, Reading, USA 1995<br />
[10] Cukic, B.: The Virtues of Assessing Software Reliability<br />
Early. IEEE Software 22 (2005) H. 3, S. 50‐53<br />
[11] Göhner, P.: Komponentenbasierte Entwicklung von<br />
Automatisierungssystemen. VDI‐Berichte 1397,<br />
VDI-Verlag, Düsseldorf 1998, S. 513‐521<br />
[12] AUTOSAR – AUTomotive Open System ARchitecture,<br />
http://www.autosar.de<br />
[13] Eberle, S. und Göhner, P.: Softwareentwicklung für<br />
<strong>ein</strong>gebettete Systeme mit strukturierten Komponenten.<br />
Teile 1 und 2. <strong>atp</strong> - Automatisierungstechnische Praxis 46<br />
(2004), H. 3, S. 41‐52 und H. 4, S. 61‐73<br />
[14] VDI-Gem<strong>ein</strong>schaftsausschuss Industrielle Systemtechnik:<br />
Software-<strong>Zuverlässigkeit</strong>. Grundlagen, Konstruktive<br />
Maßnahmen, Nachweisverfahren. VDI-Verlag,<br />
Düsseldorf 1993<br />
[15] Linder, P.: Constraintbasierte Testdatenermittlung für<br />
Automatisierungssoftware auf Grundlage von Signalflussplänen.<br />
Diss. IAS, Universität Stuttgart, 2008.<br />
IAS-Forschungsberichte, Bd. 2/2008<br />
[16] Weigand, C.: Statistik mit und ohne Zufall. Eine anwendungsorientierte<br />
Einführung. Physica-Verlag,<br />
Heidelberg 2006<br />
[17] Söhnl<strong>ein</strong>, S., Saglietti, F., Bitzer, F. und Meitner, M.:<br />
Bewertung der <strong>Zuverlässigkeit</strong> von Software - Betriebserfahrung<br />
an <strong>ein</strong>er Getriebesteuerung nutzen.<br />
<strong>atp</strong> EDITION - Automatisierungstechnische Praxis 52<br />
(2010), H. 6, S. 32‐39<br />
[18] Projektseite „GOALIAS – Der Automatisierte Torhüter“,<br />
Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik,<br />
Universität Stuttgart,<br />
http://www.ias.uni-stuttgart.de/goalias/<br />
Veröffentlichungen des Autors zum Thema <strong>Zuverlässigkeit</strong><br />
finden sich unter http://www.ias.uni‐stuttgart.de/forschung/<br />
veroeffentlichungen/publikationen.php?s_autor=wedel<br />
34<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
Bild 7 zeigt <strong>ein</strong>e ver<strong>ein</strong>fachte Systemarchitektur in<br />
UML zusammen mit den <strong>Zuverlässigkeit</strong>en der elektronischen<br />
Bauteile und der Softwarekomponenten. Diese<br />
<strong>Zuverlässigkeit</strong>en dienen als Beispiel und werden aus<br />
der mehrfachen, unveränderten Verwendung als bekannt<br />
angenommen. Aufgrund der unterschiedlichen Angaben<br />
für Elektronik und Software erfolgt <strong>ein</strong>e Umrechnung<br />
der Ausfallrate für elektronische Bauteile, die auf <strong>ein</strong>e<br />
Zeit<strong>ein</strong>heit bezogen ist. Dazu wird <strong>ein</strong>e Betriebsdauer<br />
des Automatisierungssystems von 30 000 Stunden zugrunde<br />
gelegt.<br />
Damit das Automatisierungssystem den Torwart korrekt<br />
auslenkt, werden beide Systemfunktionen mit gleichem<br />
Anteil benötigt. Daher werden diese jeweils gleich mit 0,5<br />
gewichtet. Die Betrachtung der elektronischen Bauteile<br />
und Softwarekomponenten ergibt für die Kameras <strong>ein</strong>e<br />
Gewichtung von 0,6. Zum <strong>ein</strong>en werden je nach Geschwindigkeit,<br />
Flugbahn und Ausrichtung der Kameras<br />
mehrere Bilder des Balls aufgenommen, sodass <strong>ein</strong>zelne<br />
fehlerhafte Ergebnisse toleriert werden können. Zum anderen<br />
durchfliegt nicht jeder Ball den gesamten Bereich,<br />
den <strong>ein</strong>e <strong>ein</strong>zelne Kamera ausleuchtet. Das resultierende<br />
erweiterte Use-Case-Diagramm ist in Bild 8 dargestellt.<br />
Um die Systemzuverlässigkeit zu berechnen, werden<br />
zunächst die <strong>Zuverlässigkeit</strong>en der Systemfunktionen<br />
ermittelt. Dazu werden die <strong>Zuverlässigkeit</strong>en der elektronischen<br />
Bauteile und der Softwarekomponenten aus<br />
Bild 7 mit den zugehörigen Gewichungen aus Bild 8 in<br />
Formel (6) <strong>ein</strong>gesetzt. Daraus ergeben sich die <strong>Zuverlässigkeit</strong>en<br />
0,73 für Flugbahn berechnen und 0,99 für Torwart<br />
auslenken. Durch Einsetzen dieser <strong>Zuverlässigkeit</strong>en<br />
und der Gewichtungen der Systemfunktionen aus<br />
Bild 8 in Formel (5) ergibt sich die Systemzuverlässigkeit<br />
von 0,86. Wird diese mit dem geforderten <strong>Zuverlässigkeit</strong>sziel<br />
von 0,90 abgeglichen, so zeigt sich, dass das Ziel<br />
durch das beschriebene Entwurfsszenario voraussichtlich<br />
knapp unterschritten wird.<br />
Zur Erhöhung der <strong>Zuverlässigkeit</strong> können nun unterschiedliche<br />
Entwurfsszenarien mit<strong>ein</strong>ander verglichen<br />
werden. Aus der Betrachtung der <strong>Zuverlässigkeit</strong>en der<br />
Systemfunktionen zeigt sich, dass die Kameras zur Ermittlung<br />
der Flugbahn zwar geringer gewichtet sind,<br />
jedoch aufgrund der größeren Anzahl <strong>ein</strong>e wesentliche<br />
Auswirkung auf die Systemzuverlässigkeit haben. Eine<br />
Veränderung der <strong>Zuverlässigkeit</strong> der Kameras, etwa <strong>ein</strong>e<br />
Anpassung der Kamerapositionen und der Lichtverhältnisse,<br />
lässt <strong>ein</strong>e höhere Erkennungsrate erwarten. Dadurch<br />
kann in <strong>ein</strong>em so abgeänderten Entwurfsszenario<br />
das geforderte <strong>Zuverlässigkeit</strong>sziel erreicht werden.<br />
Damit wurde am Beispiel des automatisierten Torwarts<br />
Goalias nicht nur demonstriert, wie die <strong>Zuverlässigkeit</strong><br />
<strong>ein</strong>zelner Entwurfsszenarien bewertet wird, sondern<br />
auch, wie mögliche Optimierungen daraus abgeleitet<br />
werden. Der Aufwand in späteren Entwicklungsphasen<br />
kann so durch die frühzeitige Betrachtung möglicher<br />
Fehlerquellen reduziert werden. Außerdem sind die erstellten<br />
UML-Diagramme durchgängig verwendbar. Diese<br />
können beispielsweise für den Systementwurf oder<br />
für den Nachweis der erreichten <strong>Zuverlässigkeit</strong> gegenüber<br />
Kunden am Ende des Entwicklungsprozesses <strong>ein</strong>gesetzt<br />
werden.<br />
Fazit<br />
Die vorgestellte Methode der <strong>Zuverlässigkeit</strong>sbewertung<br />
in frühen Entwicklungsphasen betrachtet Automatisierungssysteme,<br />
die aus elektronischen Bauteilen und rigide<br />
definierten Softwarekomponenten konstruiert werden.<br />
Durch die unveränderte Mehrfachverwendung werden<br />
empirische Daten zur <strong>Zuverlässigkeit</strong> nur <strong>ein</strong>malig erhoben<br />
und ausgewertet. Die daraus entstehenden Katalogangaben<br />
und <strong>Zuverlässigkeit</strong>saussagen sind über verschiedene<br />
Automatisierungssysteme hinweg mit <strong>ein</strong>er<br />
hohen Aussagekraft gültig.<br />
Die Einsatzmöglichkeiten in der Praxis zeigen, dass<br />
das Konzept <strong>ein</strong>e methodische und systematische Vorgehensweise<br />
vorgibt, um in frühen Entwicklungsphasen<br />
die <strong>Zuverlässigkeit</strong> <strong>ein</strong>es Automatisierungssystems zu<br />
bewerten. Daraus ergeben sich sowohl <strong>ein</strong> quantitativer<br />
Wert der Systemzuverlässigkeit als auch die zielgerichtete<br />
Analyse und Dokumentation der Wirkmechanismen<br />
innerhalb verschiedener Entwurfsszenarien. Der frühzeitige<br />
Abgleich mit <strong>ein</strong>em geforderten <strong>Zuverlässigkeit</strong>sziel<br />
verhindert aufwendige Nacharbeiten in späteren<br />
Entwicklungsphasen. Weiterhin ist das Konzept durch<br />
die Erweiterung standardisierter Notationen mit den<br />
Methoden späterer Entwicklungsphasen und den bestehenden<br />
UML-Modellierungswerkzeugen integrierbar.<br />
Autor<br />
Manuskript<strong>ein</strong>gang<br />
19.09.2010<br />
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />
Dr.-Ing. Michael Wedel<br />
(geb. 1979) arbeitete bis 2009<br />
als wissenschaftlicher<br />
Mitarbeiter bei Prof. Dr.‐Ing.<br />
Dr. h. c. Peter Göhner am<br />
Institut für Automatisierungs-<br />
und Softwaretechnik<br />
der Universität Stuttgart. Er<br />
forschte in dieser Zeit an der<br />
<strong>Zuverlässigkeit</strong> und Sicherheit von Automatisierungssystemen.<br />
Heute arbeitet Michael Wedel<br />
bei der Firma iss innovative software services<br />
GmbH im Bereich sicherheitsbezogener, <strong>ein</strong>gebetteter<br />
Systeme und ist außerdem selbstständiger<br />
Entwickler und Berater.<br />
Michael Wedel Softwareentwicklung und -beratung,<br />
Kornblumenweg 3,<br />
D-70771 L<strong>ein</strong>felden-Echterdingen,<br />
Tel. + 49 (0) 151 14 99 71 25,<br />
E-Mail: mw@wedel-softwaretechnik.de<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011<br />
35
hauptbeitrag<br />
Ausfallraten unter<br />
Feldbedingungen berechnen<br />
Ein Werkzeug auf Basis des Part-Stress-Modells<br />
Um die <strong>Zuverlässigkeit</strong> von Systemen mit elektrischen, elektronischen und programmierbar-elektronischen<br />
Komponenten unter Feldbedingungen berechnen zu können, müssen<br />
das Umfeld, in dem das System betrieben wird, sowie <strong>ein</strong>ige weitere Stressfaktoren mitberücksichtigt<br />
werden. Diese Stressfaktoren können widrige Umgebungsbedingungen<br />
oder auch bauteilabhängige Parameter wie die beaufschlagte Betriebsspannung s<strong>ein</strong>. Um<br />
die Abhängigkeit der Ausfallraten von den Stressfaktoren mathematisch zu beschreiben,<br />
existieren international anerkannte Berechnungsmodelle und Normen. Da sich diese<br />
Berechnungen kompliziert und fehleranfällig gestalten, ist <strong>ein</strong>e Werkzeugunterstützung<br />
unerlässlich.<br />
SCHLAGWÖRTER Ausfallrate / <strong>Zuverlässigkeit</strong> / Stressfaktor<br />
Calculation of Reliability under Field Conditions –<br />
A Tool based on Part-Stress-Model<br />
In order to calculate the reliability of systems with electrical, electronical and programable<br />
electronical components under field conditions, the surroundings in which the system<br />
is in operation, as well as other so called “stress factors”, have to be taken into account.<br />
These stress factors may be for example unfavorable environmental conditions or component-depending<br />
parameters like the admitted operating voltage. There are internationally<br />
admitted calculation models and standards to describe the dependency of the failure<br />
rates on stress factors mathematically. Due to the complexity and the error-proneness of<br />
these calculations in praxis, software support for these calculations is vital.<br />
KEYWORDS failure rate / reliability / stress factor<br />
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<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
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Oliver Koller, Robert Bosch<br />
Nasser Jazdi, Peter Göhner, IAS<br />
Udo Hipp, Thomas Liedtke, Armin Mayer, ICS<br />
Da automatisierte Systeme immer komplexer<br />
werden, gewinnt auch die <strong>Zuverlässigkeit</strong>sanalyse<br />
immer weiter an Bedeutung. Mithilfe<br />
der <strong>Zuverlässigkeit</strong>sanalyse können Schwachstellen<br />
des automatisierten Systems schon in<br />
frühen Entwicklungsphasen ermittelt werden. Hier<br />
kann die <strong>Zuverlässigkeit</strong>sanalyse helfen, die Anzahl<br />
gefährlicher Ausfälle frühzeitig zu erkennen, durch<br />
geeignete Gegenmaßnahmen zu reduzieren und somit<br />
den Betrieb von automatisierten Systemen sicherer zu<br />
gestalten. Des Weiteren stellt <strong>ein</strong>e hohe <strong>Zuverlässigkeit</strong><br />
<strong>ein</strong> immer wichtiger werdendes Verkaufsargument dar.<br />
Der Kunde erwartet neben hoher Funktionalität bei geringen<br />
Kosten vor allem <strong>ein</strong>e hohe <strong>Zuverlässigkeit</strong> der<br />
von ihm gekauften Produkte [1]. Die <strong>Zuverlässigkeit</strong>sberechnung<br />
von technischen Systemen unter verschiedenen<br />
Betriebsbedingungen ist <strong>ein</strong> wichtiger Teil dieser<br />
<strong>Zuverlässigkeit</strong>sanalyse und soll mithilfe dieses Werkzeugs<br />
automatisiert werden.<br />
Um nach DIN EN 61508-2 <strong>ein</strong> bestimmtes Sicherheitsniveau<br />
(Safety Integrity Level) erreichen zu können,<br />
müssen sich die unerkannten und gefahrbringenden<br />
Ausfälle in genau definierten Grenzen halten. Um<br />
die Wahrsch<strong>ein</strong>lichkeit <strong>ein</strong>es unerkannten und gefahrbringenden<br />
Fehlers mathematisch zu bestimmen, wird<br />
zunächst die Ausfallwahrsch<strong>ein</strong>lichkeit λ jedes Bauteils<br />
oder <strong>ein</strong>er Gruppe von Bauteilen berechnet. Dies<br />
geschieht mithilfe des Werkzeugs unter Berücksichtigung<br />
der Stressfaktoren. Anschließend wird anhand<br />
<strong>ein</strong>er Ausfallraten- und Auswirkungsanalyse die<br />
Wahrsch<strong>ein</strong>lichkeit <strong>ein</strong>es gefahrbringenden Ausfalls<br />
errechnet. Sollte dieser gefahrbringende Ausfall nicht<br />
durch Diagnosetests vom System selbst erkannt werden,<br />
handelt es sich um <strong>ein</strong>en unerkannten und gefahrbringenden<br />
Fehler, der <strong>ein</strong>e relevante Größe zur<br />
Bestimmung des erreichbaren Sicherheitsniveaus darstellt.<br />
Die Unterscheidung, ob es sich um <strong>ein</strong>en unerkannten<br />
und gefahrbringenden Fehler und damit um<br />
<strong>ein</strong>en sicherheitsrelevanten oder nicht sicherheitsrelevanten<br />
Fehler handelt, wird vom Werkzeug nicht<br />
vorgenommen.<br />
1. Herausforderung: Bestimmung<br />
der Ausfallraten<br />
Die <strong>Zuverlässigkeit</strong> von elektronischen Komponenten ist<br />
von verschiedenen Faktoren und Einflüssen abhängig.<br />
Hierbei handelt es sich um Einflüsse wie widrige Umgebungsbedingungen,<br />
unterschiedliche Temperaturen oder<br />
beaufschlagte elektrische Größen wie zum Beispiel Spannungen<br />
oder Ströme [2]. Um dem Benutzer die Ausfallratenberechnung<br />
zu erleichtern, wurden diese Faktoren in<br />
verschiedene Kategorien unterteilt.<br />
Die projektabhängigen und bauteilunabhängigen Parameter<br />
(zum Beispiel Umgebungstemperatur) sind zentral<br />
für jedes Projekt festlegbar. Projektunabhängige und bauteilabhängige<br />
Parameter (beispielsweise Nennleistung<br />
<strong>ein</strong>es Widerstands) werden in <strong>ein</strong>er zentralen Datenbank<br />
abgespeichert und können nicht individuell für jede Projektbearbeitung<br />
verändert werden. Die Schnittmenge<br />
dieser Parameter, die bauteil- und projektabhängig sind,<br />
können für jedes Bauteil individuell in jedem Projekt<br />
verändert werden, da sie applikationsabhängig sind. Es<br />
werden lediglich Standardwerte für diese Parameter in<br />
der Bauteildatenbank hinterlegt.<br />
Das in diesem Beitrag beschriebene Werkzeug berechnet<br />
die Ausfallraten der Bauteile, indem es sich auf schon vorhandene<br />
Normen und Berechnungsmodelle stützt. Diese<br />
Normen werden verwendet, um <strong>ein</strong>e <strong>Zuverlässigkeit</strong>svorhersage<br />
abhängig von den Stressfaktoren treffen zu können.<br />
Es werden unterschiedlichste physikalische Naturgesetze<br />
zur Berechnung der Ausfallrate herangezogen (zum Beispiel<br />
der Arrhenius-Zusammenhang zur Berücksichtigung von<br />
Temperaturabhängigkeiten). In der ersten Version des Werkzeugs<br />
werden folgende Berechnungsmodelle berücksichtigt:<br />
MIL-HDBK-217F<br />
Vom US-Militär entwickeltes Berechnungsmodell<br />
zur <strong>Zuverlässigkeit</strong>svorhersage von elektronischen<br />
Komponenten.<br />
SN29500<br />
Von der Siemens AG geschaffenes Berechnungsmodell.<br />
Ermöglicht die Bestimmung der <strong>Zuverlässigkeit</strong><br />
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37
Hauptbeitrag<br />
(t)<br />
= const<br />
BILD 1: Beschreibung von<br />
Ausfällen mithilfe der<br />
Badewannenkurve [2]<br />
Frühphase<br />
Gebrauchsphase<br />
Spätphase<br />
t<br />
GUI-Schicht<br />
Fachkonzeptschicht<br />
BILD 2:<br />
Überblick<br />
über die<br />
Systemarchitektur<br />
Datenbefehlsschicht<br />
Datenhaltungsschicht<br />
Datenbank<br />
für die gebräuchlichsten elektronischen und elektromechanischen<br />
Bauteile.<br />
FIDES 2009<br />
Sehr umfangreiches und modernes Berechnungsmodell,<br />
das von Airbus erarbeitet wurde, um die<br />
<strong>Zuverlässigkeit</strong> elektronischer Systeme zu berechnen.<br />
IEC TR62380<br />
IEC-Norm, die weitere Einflüsse wie Ein- und<br />
Ausschaltvorgänge und thermische Effekte<br />
berücksichtigt.<br />
1.1 Das Part-Stress-Modell<br />
Das Part-Stress-Modell ist bezüglich der logischen<br />
Struktur das <strong>ein</strong>fachste Berechnungsmodell. Es wird<br />
auch Serienmodell genannt, da es davon ausgeht, dass<br />
der Einzelausfall <strong>ein</strong>es Bauteils zu <strong>ein</strong>em Ausfall des<br />
Gesamtsystems führt [4]. Des Weiteren wird von <strong>ein</strong>er<br />
konstanten Ausfallrate ausgegangen. Das bedeutet, dass<br />
die erhöhte Ausfallrate in der Früh- beziehungsweise<br />
Spätphase nicht berücksichtigt wird [4]. Bild 1 stellt<br />
diesen Sachverhalt dar.<br />
Unter Berücksichtigung der ver<strong>ein</strong>fachenden Annahme<br />
<strong>ein</strong>er seriellen Struktur ergibt sich die Überlebenswahrsch<strong>ein</strong>lichkeit<br />
des Systems als Produkt der Überlebenswahrsch<strong>ein</strong>lichkeiten<br />
der <strong>ein</strong>zelnen Bauteile [4].<br />
R(t) s = R 1 (t) * R 2 (t) * … * R N (t)<br />
(1)<br />
Bei Annahme <strong>ein</strong>er exponentiellen Überlebenswahrsch<strong>ein</strong>lichkeit<br />
und <strong>ein</strong>er konstanten Ausfallrate λ ergibt<br />
sich die Gesamtausfallrate des Systems als Summe der<br />
Einzelausfallraten der Bauteile [4].<br />
(2)<br />
Da die Systemstruktur bei dem Part-Stress-Modell vernachlässigt<br />
wird und somit redundante Systeme nicht<br />
berücksichtigt werden, handelt es sich immer um <strong>ein</strong>e<br />
sehr konservative Abschätzung der <strong>Zuverlässigkeit</strong>. Das<br />
Modell wird daher meist nur auf Bauteilebene <strong>ein</strong>gesetzt,<br />
nachdem Redundanzen mithilfe <strong>ein</strong>er Top-Down Vorgehensweise<br />
aufgelöst wurden. Zeitliche Abhängigkeiten<br />
von Ausfallraten bleiben ebenfalls unberücksichtigt.<br />
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1.2 Anforderung an die Werkzeugunterstützung<br />
Auf dem Markt existieren schon <strong>ein</strong>ige Werkzeuge, die<br />
den Sicherheitsingenieur bei der Berechnung mitmilfe<br />
des Part-Stress-Modells unterstützen. Die bekanntesten<br />
Werkzeuge sind hierbei EXAR, ALD RAM Commander,<br />
ISO Graph Reliability Workbench und Relex.<br />
Viele dieser Werkzeuge sind versionsabhängig um verschiedene<br />
Features erweitert worden und bieten daher<br />
mittlerweile <strong>ein</strong>e sehr große Anzahl an Funktionen. Die<br />
Bedienung dieser Werkzeuge ist somit fast ausschließlich<br />
nach qualifizierten Schulungen möglich. Da sich die <strong>Zuverlässigkeit</strong>sanalyse<br />
von technischen Produkten zunehmend<br />
zu <strong>ein</strong>em Top-Thema entwickelt [5], sehen sich zunehmend<br />
auch Entwickler mit der Aufgabe konfrontiert,<br />
frühzeitige Abschätzungen über die <strong>Zuverlässigkeit</strong> treffen<br />
zu müssen. Hier entsteht der Bedarf nach <strong>ein</strong>em <strong>ein</strong>fachen<br />
und übersichtlichen Werkzeug zur schnellen Analyse von<br />
Ausfallraten von elektronischen Schaltungen. Für diesen<br />
Bedarf sind die marktgängigen Werkzeuge überdimensioniert<br />
und damit meist zu unübersichtlich.<br />
Eine Prämisse war: Wie sich die Änderungen von Parametern<br />
sowie von Berechnungsmodellen auf die Ausfallraten<br />
der Bauteile auswirken, soll übersichtlicher<br />
und schneller als in den auf dem Markt üblichen Werkzeugen<br />
ersichtlich s<strong>ein</strong>. Eine weitere war, Hilfestellungen<br />
zu den <strong>ein</strong>zugebenden Parametern zu erhalten und<br />
die Bearbeitung von Projekten so zu ver<strong>ein</strong>fachen, dass<br />
Parameter zum Beispiel global für mehrere Bauteile<br />
<strong>ein</strong>gebbar sind.<br />
2. Konzept zur Entwicklung des<br />
neuen Werkzeugs<br />
Der Begriff RAMS wird in vielen sicherheitskritischen<br />
Anwendungen, wie beispielsweise in EN 50126-Bahnanwendungen,<br />
verwendet und steht für <strong>Zuverlässigkeit</strong> (Reliability),<br />
Verfügbarkeit (Availability), Instandhaltbarkeit<br />
(Maintainability) und Sicherheit (Safety). Mithilfe des<br />
Werkzeugs soll <strong>ein</strong>e Aussage über die <strong>Zuverlässigkeit</strong> (Reliability)<br />
des Systems getroffen werden können. Bei der<br />
<strong>Zuverlässigkeit</strong>sanalyse muss nachgewiesen werden, dass<br />
solche Anwendungen die Fähigkeit haben, in <strong>ein</strong>em bestimmten<br />
Zeitrahmen <strong>ein</strong>e geforderte Funktion unter<br />
gegebenen Betriebsbedingungen erfüllen zu können [6].<br />
Die <strong>Zuverlässigkeit</strong>sberechnung ist <strong>ein</strong> komplexer Vorgang,<br />
der ohne <strong>ein</strong>e Werkzeug-Unterstützung kaum zu<br />
bewältigen ist. Vor der Entwicklung <strong>ein</strong>es neuen Werkzeugs<br />
muss jedoch <strong>ein</strong> gem<strong>ein</strong>sames Verständnis über die<br />
notwendigen Anforderungen, die umgesetzt werden müssen,<br />
erreicht werden [7].<br />
Entwicklungsingenieure, die nicht unmittelbar mit den<br />
Berechnungsmethoden der <strong>Zuverlässigkeit</strong> vertraut sind,<br />
müssen diese ohne aufwendige Schulungsmaßnahmen<br />
berechnen können. Deshalb soll das Werkzeug <strong>ein</strong>fach,<br />
übersichtlich und bedienungsfreundlich s<strong>ein</strong>. Dies gewährleistet<br />
<strong>ein</strong> modernes Design und Windows Look&Feel.<br />
Das Definieren von Parametern gestaltet sich aufgrund der<br />
vielen verschiedenen Eingabemöglichkeiten und des daher<br />
benötigten Fachwissens über das betreffende Bauteil<br />
schwierig. Hier muss <strong>ein</strong> innovatives Werkzeug konkretes<br />
Fachwissen zu den <strong>ein</strong>zelnen <strong>ein</strong>zugebenden Parametern<br />
bieten, um somit den Benutzer bei der Ausfallratenberechnung<br />
optimal zu unterstützen. Wird <strong>ein</strong> Parameter <strong>ein</strong>gegeben<br />
beziehungsweise verändert, sollte das Werkzeug<br />
umgehend anzeigen, welche Auswirkung die Änderung<br />
nach sich zieht.<br />
Dies ermöglicht <strong>ein</strong> Spielen mit den Parametern und<br />
zeigt die damit <strong>ein</strong>hergehenden Verbesserungspotenziale<br />
auf. So können Auswirkungen von geplanten, konstruktiven<br />
Änderungen (zum Beispiel der Installation<br />
<strong>ein</strong>es aktiven Lüfters und der damit verbundenen Absenkung<br />
der Umgebungstemperatur) auf die <strong>Zuverlässigkeit</strong><br />
bequem vorhergesagt werden. Da viele Stücklisten<br />
in elektronischer Form vorliegen, muss gewährleistet<br />
werden, dass sich diese automatisiert <strong>ein</strong>lesen lassen. Es<br />
sollte dem Bediener zusätzlich die Möglichkeit geboten<br />
werden, <strong>ein</strong>en Export, der alle berechneten Ergebnisse<br />
enthält, zu erzeugen. Eindeutige Schwachstellen bezüglich<br />
der <strong>Zuverlässigkeit</strong> müssen dem Benutzer über hilfreiche,<br />
grafische Visualisierungen dargestellt werden.<br />
Des Weiteren soll das zu entwickelnde Werkzeug erweiterbar<br />
s<strong>ein</strong>, damit zusätzliche Normen <strong>ein</strong>fach und unkompliziert<br />
integriert werden können. Das Werkzeug<br />
wurde mit der Programmiersprache Java auf der Entwicklungsumgebung<br />
Eclipse entwickelt. Es kommt <strong>ein</strong>e<br />
Microsoft SQL-Datenbank zum Einsatz.<br />
2.1 Systemarchitektur<br />
Eines der Entwicklungsziele war es, neue Berechnungsformeln<br />
beziehungsweise komplette Normen und Berechnungsmodelle<br />
<strong>ein</strong>fach und unkompliziert in das Werkzeug<br />
integrieren zu können, ohne tiefer gehende Programmierkenntnisse<br />
zu besitzen. Dies kann nur gewährleistet<br />
werden, indem die Datenhaltung k<strong>ein</strong>e Kenntnisse der<br />
(in Java implementieren) Fachkonzeptschicht und GUI<br />
benötigt, das heißt die Datenhaltung muss von der Logik<br />
und der GUI getrennt s<strong>ein</strong>.<br />
In Bild 2 wird die Systemarchitektur des entwickelten<br />
Programms dargestellt. Die Wahl der Systemarchitektur<br />
erfolgte somit in Anlehnung an das Modell der Drei-<br />
Schichten-Architektur. Drei-Schichten-Architekturen sind<br />
gut skalierbar und reduzieren die Komplexität der Abhängigkeiten<br />
der Teilsysteme [8].<br />
Wie gefordert, kann weder die Datenhaltungsschicht<br />
noch die Fachkonzeptschicht auf die GUI-Schicht zugreifen.<br />
Somit benötigt k<strong>ein</strong>e dieser beiden Schichten <strong>ein</strong><br />
explizites Wissen hinsichtlich der Benutzungsoberfläche<br />
(GUI-Schicht). Es können in den unteren Schichten Modifizierungen<br />
vorgenommen werden, ohne dass die Benutzungsoberfläche<br />
(GUI-Schicht) deshalb verändert<br />
werden muss.<br />
Die Drei-Schichten-Architektur wurde flexibel gestaltet,<br />
indem <strong>ein</strong> direkter Zugriff der GUI-Schicht auf die Datenhaltungsschicht<br />
vorgesehen wurde. Der Zugriff erfolgt<br />
jedoch immer über die Datenbefehlsschicht, in der alle im<br />
Programm vorkommenden Datenbankabfragen gekapselt<br />
sind. Durch die Drei-Schichten-Architektur wird Erweiterbarkeit<br />
sowie Flexibilität garantiert. Die Unabhängigkeit<br />
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39
Hauptbeitrag<br />
BILD 3: Bauteile auswählen<br />
BILD 5: Berechnung der Ausfallrate (Ground Mobile)<br />
BILD 4: Berechnung der Ausfallrate (Ground Benign)<br />
BILD 6: Statistik der Anteile an der Ausfallrate<br />
der Benutzungsoberfläche von der Fachkonzeptschicht<br />
und der Datenbefehlsschicht führt dazu, dass neue Normen<br />
oder andere Berechnungsstandards in das Programm<br />
aufgenommen werden können, indem diese ausschließlich<br />
in der Datenbank hinterlegt werden. Weder die Benutzungsoberfläche<br />
(GUI-Schicht) noch die Fachkonzeptschicht<br />
müssen hierfür angepasst werden.<br />
Da bei dieser Architektur viele Informationen, die auf<br />
der Benutzungsoberfläche angezeigt werden, direkt der<br />
Datenbank entstammen, wurde <strong>ein</strong> direkter Zugriff der<br />
GUI-Schicht auf die Datenhaltungsschicht erlaubt. Dieses<br />
führt zu <strong>ein</strong>er klareren Struktur. Die Kapselung der<br />
Datenbankbefehle in der Datenhaltungsschicht erfolgte,<br />
um <strong>ein</strong>e Unabhängigkeit von der konkreten Datenbanktechnologie<br />
zu erzielen.<br />
Die GUI-Schicht besteht aus verschiedenen Klassen.<br />
Jede Klasse b<strong>ein</strong>haltet den Programmcode für <strong>ein</strong>e Benutzungsoberfläche.<br />
Zusätzlich existiert <strong>ein</strong>e Klasse, die<br />
diejenigen Elemente enthält, die für jede Oberfläche<br />
identisch sind. Dies bietet den Vorteil, Änderungen im<br />
Design, die alle Oberflächen betreffen, an zentraler Stelle<br />
durchführen zu können.<br />
Die Fachkonzeptschicht besteht aus Klassen, die der<br />
GUI-Schicht unterschiedliche Funktionalitäten zur Verfügung<br />
stellen und diese in sich kapseln. So existiert hier<br />
zum Beispiel <strong>ein</strong>e Klasse, die <strong>ein</strong>e Stückliste mit den zu<br />
berechnenden Bauteilen automatisiert <strong>ein</strong>liest. Des Weiteren<br />
werden von dieser Schicht Funktionen wie der<br />
Export von Stücklisten sowie das Parsen von Formeln<br />
übernommen.<br />
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3. Realisierung<br />
Zur praktischen Umsetzung der im Kapitel 3 definierten<br />
Anforderungen wurden folgende Maßnahmen getroffen:<br />
Um das Werkzeug <strong>ein</strong>fach und übersichtlich zu gestalten,<br />
wurde <strong>ein</strong> Konzept ohne Untermenüpunkte<br />
gewählt. Der Benutzer wird durch die Bearbeitung<br />
geleitet.<br />
Für alle Oberflächen stehen umfangreiche Hilfestellungen<br />
zur Verfügung.<br />
Für alle Parameter werden Hilfestellungen angeboten.<br />
Alte und neue Ausfallrate werden sowohl auf Projektals<br />
auch auf Bauteilebene direkt gegenübergestellt.<br />
Zusätzlich wird die prozentuale Veränderung angegeben.<br />
Projektparameter können übersichtlich <strong>ein</strong>gestellt<br />
werden.<br />
Parameter, die zur Ausfallratenberechnung in <strong>ein</strong>em<br />
speziellen Projekt verändert werden, überschreiben<br />
nicht die Parameterwerte der Bauteildatenbank.<br />
Eine Erweiterung um zusätzliche Normen kann unabhängig<br />
vom Programmcode durchgeführt werden.<br />
Es steht <strong>ein</strong> CSV-Import sowie <strong>ein</strong> XML- und CSV-<br />
Export zur Verfügung.<br />
Es steht <strong>ein</strong>e Statistik über den Anteil der Bauteilausfallrate,<br />
gemessen an der Gesamtausfallrate, zur Verfügung<br />
(nach Wahl mit oder ohne Berücksichtigung<br />
der relativen Häufigkeit des Bauteils).<br />
3.1 Berechnung der Ausfallrate <strong>ein</strong>er Baugruppe<br />
Um die Funktionsweise des entwickelten Programms<br />
erläutern zu können, wird im Folgenden beispielhaft<br />
<strong>ein</strong>e Ausfallratenberechnung <strong>ein</strong>er elektrischen Schaltung<br />
vorgenommen. Diese Schaltung wurde im Rahmen<br />
des Projekts „Automatisierter Fußballschuh David“ des<br />
Instituts für Automatisierungs- und Softwaretechnik<br />
(IAS) der Universität Stuttgart entwickelt und ist dort bis<br />
heute im Einsatz. Sie wandelt die Spannungspegel der<br />
Peripherie in <strong>ein</strong>e für den Mikrocontroller verarbeitbare<br />
Größe um.<br />
Zur Berechnung der Ausfallrate wird in diesem Beispiel<br />
die weit verbreitete und anerkannte Norm MIL-<br />
HDBK-217F verwendet. Um zu realitätsnahen Ergebnissen<br />
zu gelangen, müssen alle Stressfaktoren berücksichtigt<br />
und in die Modelle integriert werden. Da die entwickelte<br />
Schaltung unter anderem Kondensatoren enthält,<br />
wird hier beispielhaft verdeutlicht, welche Berechnungen<br />
das Programm im Falle <strong>ein</strong>er Ausfallratenberechnung<br />
<strong>ein</strong>es Kondensators intern durchführt.<br />
Zunächst wird in <strong>ein</strong>er grundlegenden Formel gezeigt,<br />
welche Stressfaktoren die Ausfallrate des Kondensators<br />
be<strong>ein</strong>flussen. Dies ist in Gleichung 3 [9] dargestellt.<br />
(3)<br />
Die Basisausfallrate ist abhängig von der Technologie<br />
des Kondensators und berücksichtigt k<strong>ein</strong>erlei Stressfaktoren.<br />
Die Norm definiert nun folgende Stressfaktoren, die<br />
auf das Bauteil wirken (siehe Gleichung 3): die Temperatur<br />
(projektabhängig), die Kapazität (bauteilabhängig),<br />
den Spannungsstressfaktor (projekt- und bauteilabhängig<br />
und damit r<strong>ein</strong> applikationsabhängig), den Serienwiderstand<br />
(nur bei Tantal-Kondensatoren zu berücksichtigen,<br />
dort bauteilabhängig), die Herstellungsqualität<br />
(bauteilabhängig) und die Umgebungsbedingungen<br />
(projektabhängig).<br />
Da das Werkzeug die obere Formel in der Datenhaltungsschicht<br />
hinterlegt hat, wird diese von dort <strong>ein</strong>gelesen.<br />
Alle projektabhängigen Parameter werden bei Anlegen<br />
<strong>ein</strong>es Projekts abgefragt und von dieser Eingabe für<br />
alle r<strong>ein</strong> projektabhängigen Parameter übernommen.<br />
Alle bauteilabhängigen Parameter werden, falls dieses<br />
Bauteil in der Datenbank hinterlegt ist, aus der Datenbank<br />
übernommen.<br />
Das Beispiel zeigt, dass selbst bei <strong>ein</strong>em <strong>ein</strong>fachen Bauteil<br />
wie dem Kondensator die Berechnung der Ausfallrate<br />
sehr komplex werden kann. Einflüsse von Parameteränderungen<br />
sind schwer zu erkennen, vor allem wenn<br />
es sich um projektabhängige Parameter handelt (wie<br />
Umgebungstemperatur der Schaltung, Umgebungsbedingung),<br />
da hier alle Bauteil-Ausfallraten dieser Schaltung<br />
neu berechnet werden müssen. Für diese Problemstellung<br />
wurde das Werkzeug Multi-REL entwickelt, das<br />
hilft, Ausfallraten <strong>ein</strong>er Schaltung schnell und intuitiv<br />
zu bestimmen.<br />
3.2 Ein neues Projekt anlegen und die<br />
Stückliste automatisiert importieren<br />
Um <strong>ein</strong> neues Projekt anlegen zu können, müssen die<br />
Projektdaten angegeben werden. Eine Stückliste, die alle<br />
verwendeten Bauteile enthält, kann automatisiert <strong>ein</strong>gelesen<br />
und weiterverarbeitet werden. Es erfolgt <strong>ein</strong>e Anzeige,<br />
welche Bauteile in der Bauteildatenbank identifiziert<br />
wurden und für welche Berechnungsstandards die<br />
zur Berechnung benötigten Parameter hinterlegt wurden.<br />
3.3 Relevante Bauteile auswählen<br />
Auf der folgenden Oberfläche werden die Bauteile der<br />
Schaltung ausgewählt. Die Bauteile, die automatisiert <strong>ein</strong>gelesen<br />
wurden, werden automatisch in die Stückliste,<br />
die in Bild 3 dargestellt ist, übernommen. Es können sowohl<br />
Bauteile gelöscht als auch Bauteile hinzugefügt werden.<br />
Falls Bauteile hinzugefügt werden sollen, können<br />
entweder schon in vorher durchgeführten Projekten verwendete<br />
Bauteile übernommen oder neue Bauteile angelegt<br />
werden.<br />
Für jedes Bauteil existiert <strong>ein</strong>e Statusanzeige, um dem<br />
Benutzer den Stand der Bauteilbearbeitung ersichtlich<br />
zu machen. Falls der Bauteiltyp des Bauteils unbekannt<br />
ist, wird <strong>ein</strong>e rote Ampel anzeigt. Ist der Bauteiltyp bekannt<br />
und fehlen noch die Parameterwerte, um die Ausfallrate<br />
zu berechnen, steht der Status auf Gelb. Nach<br />
Eingabe aller benötigten Parameter wird die Ampel auf<br />
Grün geschaltet.<br />
Werden alle Bauteile mit <strong>ein</strong>er grünen Ampel angezeigt,<br />
ist die Projektbearbeitung abgeschlossen. Der Projektfortschrittsbalken<br />
zeigt <strong>ein</strong>en Projektfortschritt von 100 % an<br />
und es kann die Ausfallrate der Baugruppe berechnet<br />
werden. Dabei können für jedes Bauteil verschiedene Be-<br />
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41
Hauptbeitrag<br />
rechnungsstandards hinterlegt werden. Somit kann <strong>ein</strong><br />
Vergleich der berechneten Ausfallrate zwischen verschiedenen<br />
Berechnungsstandards erfolgen.<br />
Soll <strong>ein</strong> projektunabhängiger Bauteilparameter (zum<br />
Beispiel der Kapazitätswert <strong>ein</strong>es Kondensators) verändert<br />
werden, wird hierfür <strong>ein</strong> Änderungsgrund verlangt.<br />
Diese Änderung (alter Wert, Änderungsgrund und Bearbeiter)<br />
wird dem Benutzer (auch in anderen Projekten)<br />
angezeigt. Projektabhängige Bauteilparameter können<br />
beliebig verändert werden, da es sich hierbei um Standardwerte<br />
handelt, die für jedes Projekt überschrieben<br />
werden können.<br />
3.4 Berechnung der Ausfallrate der Schaltung<br />
Zunächst wird die Ausfallrate der Schaltung unter gütigen<br />
Bedingungen (nach MIL-HDBK-217F als Ground Benign<br />
bezeichnet) berechnet. Diese Berechnung zeigt Bild 4.<br />
Die Parameterwerte der projektabhängigen Parameter<br />
für dieses Projekt können beliebig geändert werden. Der<br />
Einfluss dieser Änderungen kann sofort beobachtet werden,<br />
da alte und neue Ausfallrate gegenübergestellt werden.<br />
Die projektabhängigen Parameter können sowohl<br />
auf Bauteilebene als auch auf Projektebene auf die Standardwerte,<br />
die in der Bauteildatenbank projektübergreifend<br />
hinterlegt sind, zurückgesetzt werden.<br />
Dort wo mehrere Berechnungsstandards hinterlegt<br />
wurden, kann ausgewählt werden, nach welchem Standard<br />
das Bauteil berechnet werden soll. Der Berechnungsstandard<br />
lässt sich auch für das komplette Projekt<br />
ändern.<br />
Die Ausfallrate der Schaltung bei 40° C Umgebungstemperatur<br />
und <strong>ein</strong>er Berechnung nach MIL-HDBK-217F<br />
und gütigen Umgebungsbedingungen (Ground Benign)<br />
beträgt 0,54 Ausfälle pro 10E6 Stunden (siehe Bild 4).<br />
Dieser Wert wird unten angezeigt. Der Einfluss <strong>ein</strong>er Parameteränderung<br />
(zum Beispiel <strong>ein</strong>er Temperaturänderung)<br />
wird in Prozent angegeben und rechts in <strong>ein</strong>er<br />
Anzeige dargestellt, falls die Temperatur global verändert<br />
wird (im Einstellungsfeld links unten).<br />
Falls die Schaltung unter mobilen Einsatzbedingungen<br />
(nach MIL-HDBK-217F als Ground Mobile bezeichnet) betrieben<br />
wird (zum Beispiel in <strong>ein</strong>em Auto), verändert sich<br />
die Ausfallrate um +715,26 % von 0,54 auf 4,4 Ausfälle pro<br />
10E6 Stunden. Diese Berechnung zeigt Bild 5.<br />
Durch den Vergleich der alten und der neuen Ausfallrate<br />
ist dem Benutzer leicht ersichtlich, welche Bauteile besonders<br />
empfindlich auf Erschütterungen reagieren.<br />
3.5 Identifikation der Schwachstellen der Schaltung<br />
Bei Betrachtung der Ausfallraten der Schaltung wird<br />
klar, dass der Transistor SFH615 mit Abstand den größten<br />
Einfluss auf die Gesamtausfallrate besitzt (85,32 %).<br />
Den prozentualen Anteil dieser Ausfallraten an der Gesamtausfallrate<br />
zeigt Bild 6. Die Widerstände sind so gut<br />
wie vernachlässigbar, da deren Ausfallraten sich bei<br />
korrekter Dimensionierung beziehungsweise Überdimensionierung<br />
in sehr günstigen Bereichen bewegen<br />
(1,51 % sowie 0,07 %).<br />
3.6 Export der berechneten Ausfallraten<br />
Das Berechnungsergebnis kann mithilfe der Formate<br />
XML und CSV exportiert werden. Es steht <strong>ein</strong> Ausführlicher<br />
Export zur Verfügung, der zusätzlich zu den Projektdaten<br />
und den Bauteildaten mit ihren Ausfallraten (absolut<br />
und relativ) die <strong>ein</strong>gesetzten Parameter exportiert.<br />
4. Ausblick<br />
Die Eingabe von weiteren Normen und Berechnungsvorschriften<br />
ist schon nach jetzigem Stand ohne Weiteres<br />
machbar, ohne den hinterlegten Programmcode zu modifizieren.<br />
Es müsste hierfür <strong>ein</strong>e Eingabe in der Datenbank<br />
Referenzen<br />
[1] Bernd Bertsche, Peter Göhner, Uwe Jensen,<br />
Wolfgang Schinköthe, Hans-Joachim Wunderlich:<br />
<strong>Zuverlässigkeit</strong> mechatronischer Systeme,<br />
Springer Verlag Berlin, Heidelberg, 2008<br />
[2] Francesca Saglietti: Mechatronische Systeme,<br />
Lehrstuhl für Software Engineering,<br />
Universität Erlangen-Nürnberg, 2006<br />
[3] Peter Göhner: Skript zur Vorlesung Prozessautomatisierung<br />
2, 2010<br />
[4] Marcus Abele: Modellierung und Bewertung<br />
hochzuverlässiger Energiebordnetz-Architekturen,<br />
2008<br />
[5] Pressemitteilung „Zuverlässige Produkte entwickeln“<br />
zur VDI-Tagung „Technische <strong>Zuverlässigkeit</strong>“<br />
am 11. und 12. Mai 2011 in Leonberg,<br />
VDI-Portal, 2011<br />
[6] Michael Wedel: Bewertung der <strong>Zuverlässigkeit</strong> von<br />
Automatisierungssystemen in frühen Entwicklungsphasen,<br />
Dissertation am Institut für Automatisierungsund<br />
Softwareentwicklung der Universität Stuttgart,<br />
ISBN 978-3-8322-9992-7, 2011<br />
[7] Klaus Pohl, Chris Rupp: Basiswissen Requirements<br />
Engineering, dpunkt.verlag, 2009<br />
[8] Helmut Balzert: Lehrbuch der Software-Technik,<br />
Band 1, 2. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag,<br />
Heidelberg, Berlin, Oxford, 2001<br />
[9] MIL-HDBK-217F Notice 2, Chapter 10.1<br />
[10] Sven Söhnl<strong>ein</strong>, Francesca Saglietti, Franz Bitzer,<br />
Matthias Meitner: Bewertung der <strong>Zuverlässigkeit</strong><br />
von Software - Betriebserfahrung an <strong>ein</strong>er Getriebesteuerung<br />
nutzen, Automatisierungstechnische<br />
Praxis (<strong>atp</strong> EDITION), 52. Jahrgang, 6/2010, 32-39,<br />
Oldenbourg Industrieverlag, 2010.<br />
[11] Nasser Jazdi, Skript zur Vorlesung <strong>Zuverlässigkeit</strong><br />
und Sicherheit von Automatisierungssystem (ZSA),<br />
2011<br />
42<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
erfolgen. Es kann <strong>ein</strong>e Erweiterung des Werkzeugs durchgeführt<br />
werden, die dem Benutzer selbst ermöglicht, <strong>ein</strong>e<br />
eigene Berechnungsvorschrift zu definieren und diese<br />
über <strong>ein</strong>e Eingabemaske <strong>ein</strong>zupflegen.<br />
Der Anteil der Software in sicherheitskritischen Anwendungen<br />
gewinnt immer mehr an Bedeutung. Für den<br />
Einsatz solcher komplexer Softwaresysteme ist oft <strong>ein</strong><br />
Nachweis hoher <strong>Zuverlässigkeit</strong> vorgeschrieben [9]. Die<br />
enge Verbindung zwischen der Software mit elektronischen<br />
und mechatronischen Komponenten sowie unvollständige<br />
und ungenaue Informationen in den frühen<br />
Entwicklungsphasen stellen <strong>ein</strong>e besondere Herausforderung<br />
bei der Bewertung der Software-<strong>Zuverlässigkeit</strong><br />
dar [1], Seite 318. Ergänzend zu den vorhandenen Berechnungsmodellen<br />
könnte zusätzlich prototypisch <strong>ein</strong>e<br />
Ausfallratenberechnung für Software hinterlegt werden.<br />
Geeignet wären solche Methoden, die analog zur Hardwareausfallratenberechnung<br />
<strong>ein</strong>e spezifische Softwareausfallrate<br />
λ definieren. Denkbar wäre zum Beispiel<br />
das Shooman-Modell [11]. Sinnvoll ist die Aufnahme der<br />
Software-<strong>Zuverlässigkeit</strong> besonders dann, wenn wiederverwendbare<br />
Softwarekomponenten im automatisierten<br />
System zum Einsatz kommen.<br />
Manuskript<strong>ein</strong>gang<br />
25.07.2011<br />
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />
Autoren<br />
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Peter Göhner (geb. 1950) ist Leiter<br />
des Instituts für Automatisierungs- und Softwaretechnik<br />
(IAS) an der Universität Stuttgart. S<strong>ein</strong>e Hauptarbeitsgebiete<br />
sind Wiederverwendungskonzepte in der Automatisierungstechnik,<br />
Verlässlichkeit von automatisierten Systemen, Energieoptimierung<br />
in technischen Systemen, Agentenorientierte<br />
Konzepte in der Automatisierungstechnik, Lernfähigkeit<br />
von automatisierten Systemen und Benutzerorientierte Automatisierung.<br />
Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik,<br />
Pfaffenwaldring 47, D-70550 Stuttgart,<br />
Tel. +49 (0) 711 68 56 73 00,<br />
E-Mail: peter.goehner@ias.uni-stuttgart.de<br />
Dr.-Ing. Nasser Jazdi (geb. 1963) war von 1997 bis 2003 als<br />
wissenschaftlicher Mitarbeiter tätig und ist seit 2003 akademischer<br />
Oberrat am Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik<br />
der Universität Stuttgart. Besondere Arbeitsschwerpunkte<br />
sind Softcomputing Methoden-, <strong>Zuverlässigkeit</strong><br />
und Sicherheit- und Lernfähigkeit in der Automatisierungstechnik.<br />
Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik,<br />
Pfaffenwaldring 47, D-70550 Stuttgart,<br />
Tel. +49 (0) 711 68 56 73 03,<br />
E-Mail: jazdi@ias.uni-stuttgart.de<br />
Dipl.-Ing. (FH) Udo Hipp (geb. 1961) ist Senior System Ingenieur<br />
in der Business Unit Methods, Processes & Tools bei der<br />
ICS AG in Stuttgart. S<strong>ein</strong> Hauptarbeitsgebiet sind Projekte im<br />
Bereich der Funktionalen Sicherheit im Bereich Automotive.<br />
Informatik Consulting Systems AG,<br />
Sonnenbergstr. 13, D-70184 Stuttgart,<br />
Tel. +49 (0) 711 210 37 41,<br />
E-Mail: Udo.Hipp@ics-ag.de<br />
Dipl.-Ing. Oliver Koller (geb. 1985) ist seit der Beendigung<br />
s<strong>ein</strong>es Studiums der Elektrotechnik an der Universität Stuttgart<br />
im April diesen Jahres Doktorand bei der Robert Bosch<br />
GmbH im Bereich der <strong>Zuverlässigkeit</strong>sabsicherung von Rekuperationssystemen.<br />
Er hat s<strong>ein</strong>e Diplomarbeit am Institut<br />
für Automatisierungs- und Softwaretechnik der Universität<br />
Stuttgart durchgeführt.<br />
Robert Bosch GmbH,<br />
Robert-Bosch-Str. 1, 71701 Stuttgart,<br />
Tel. +49 (0) 711 81 14 37 83,<br />
E-Mail: oliverdieter.koller@de.bosch.com<br />
Dr. rer. nat. Thomas Liedtke (geb. 1966) ist Leiter der Business<br />
Unit Methods, Processes & Tools der Informatik Consulting<br />
Systems AG (ICS AG) in Stuttgart. S<strong>ein</strong>e Hauptarbeitsgebiete<br />
sind Projektmanagement und Methoden in sicherheitsgerichteten<br />
Entwicklungen von Systemen: theoretisch,<br />
praktisch und in der Lehre, sowie die Leitung der Competence<br />
Center der ICS AG.<br />
Informatik Consulting Systems AG,<br />
Sonnenbergstraße 13, D-70184 Stuttgart,<br />
Tel. +49 (0) 711 210 37 39,<br />
E-Mail: Thomas.Liedtke@ics-ag.de<br />
Dr. rer. nat. Armin Mayer (geb. 1963) ist Leiter des Competence<br />
Center RAMS (Reliability, Availability, Maintainability<br />
und Safety Management für unterschiedliche Anwendungen)<br />
der Informatik Consulting Systems AG (ICS AG). S<strong>ein</strong>e<br />
Hauptarbeitsgebiete sind Safety Management für Transportation,<br />
Sicherheitsanalysen für Leit- und Sicherheitstechnik.<br />
Informatik Consulting Systems AG,<br />
Sonnenbergstraße 13, D-70184 Stuttgart,<br />
Tel. +49 (0) 711 210 37 00,<br />
E-Mail: Armin.Mayer@ics-ag.de<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011<br />
43
hauptbeitrag<br />
Verfügbarkeitsberechnung von<br />
Automatisierungsnetzwerken<br />
Teil 1: Grundlagen und Rechenverfahren<br />
Der zweiteilige Beitrag behandelt in Teil 1 die Grundlagen der Verfügbarkeitsrechnung<br />
für Ethernet-basierte Automatisierungsnetzwerke. Teil 2 befasst sich mit typischen Netzwerktopologien<br />
der Automatisierungstechnik und deren Verfügbarkeit. Abschließend<br />
werden Maßnahmen diskutiert, wie sich die Verfügbarkeit <strong>ein</strong>es Netzwerks durch entsprechende<br />
Auslegung verbessern lässt.<br />
SCHLAGWÖRTER Verfügbarkeit / Verfügbarkeitsberechnung / Ethernet / MTBF / MTTF /<br />
MTTR / Automatisierungsnetzwerk<br />
Availability Calculation of Automation Networks –<br />
Basics and Calculation Methods<br />
This article deals with the availability calculation of Automation Networks. Part 1 of this<br />
series deals with the basics of the availability calculation. Part 2 analyses typical topologies<br />
and their availability. The article will be concluded by the discussion of measures to<br />
increase the availability by improved design.<br />
KEYWORDS Availability / Availability calculation / Ethernet / MTBF / MTTF / MTTR /<br />
Automation Network / Control Network<br />
44<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
Karl-H<strong>ein</strong>z Niemann, Fachhochschule Hannover<br />
Der fortschreitende Erfolg von Industrial Ethernet<br />
führt dazu, dass zunehmend Automatisierungsanlagen<br />
über Ethernet vernetzt werden.<br />
In früheren Beiträgen [1], [2], [3] wurden qualitative<br />
Überlegungen zur Verfügbarkeit verschiedener<br />
Ethernet-Netzwerktopologien angestellt. Als<br />
Folge dieser Veröffentlichungen stellten Leser immer<br />
wieder Fragen nach konkreten Verfügbarkeitszahlen.<br />
Bisher standen diese jedoch für komplexere Strukturen<br />
(zum Beispiel vermaschte Netzwerke, Mehrfachringe)<br />
nicht zur Verfügung. Standardwerke [6] befassen sich<br />
zwar mit der Berechnung der Netzwerkverfügbarkeit,<br />
betrachten jedoch k<strong>ein</strong>e vermaschten oder ringförmigen<br />
Topologien. Dieser Beitrag zeigt, wie über <strong>ein</strong> softwaregestütztes<br />
Berechnungsverfahren die Verfügbarkeitszahlen<br />
komplexer Automatisierungsnetzwerke ermittelt werden<br />
können. Basierend auf den Ergebnissen dieser Berechnungen<br />
werden im zweiten Teil die Vor- und Nachteile<br />
verschiedener Netzwerktopologien in Bezug auf ihre<br />
Verfügbarkeit diskutiert. An <strong>ein</strong>em Beispiel wird erklärt,<br />
wie sich durch bestimmte Vorgehensweisen die Verfügbarkeit<br />
<strong>ein</strong>es Netzwerkes schrittweise verbessern lässt.<br />
1. Grundlagen der Verfügbarkeitsrechnung<br />
In diesem Abschnitt werden grundlegende Begriffe erklärt,<br />
und an <strong>ein</strong>fachen Beispielen wird die Zusammenschaltung<br />
mehrerer Komponenten erläutert. Der Beitrag<br />
befasst sich zunächst mit dem Ausfallverhalten <strong>ein</strong>es<br />
<strong>ein</strong>zelnen elektronischen Gerätes. Die Zusammenschaltung<br />
verschiedener Geräte folgt in Abschnitt 2.<br />
1.1 Ausfallverhalten elektronischer Baugruppen<br />
Der Einsatz von Ethernet im Bereich der industriellen<br />
Kommunikation führt dazu, dass sich neben der Verkabelung<br />
nun auch aktive elektronische Komponenten, wie<br />
zum Beispiel Switches und Router, im Netzwerk befinden.<br />
Diese elektronischen Baugruppen sind bei der Berechnung<br />
der Verfügbarkeit <strong>ein</strong>es Kommunikationsnetzwerkes<br />
zu berücksichtigen.<br />
Bild 1 zeigt das typische Ausfallverhalten <strong>ein</strong>er elektronischen<br />
Baugruppe. Die Ausfallrate λ(t) ist über der Zeit<br />
t aufgetragen. Diese Kurve wird umgangssprachlich auch<br />
als Badewannenkurve bezeichnet. In der Phase 1 treten<br />
die Frühausfälle auf. Diese können beispielsweise durch<br />
Fehler im Fertigungsprozess oder durch vorgeschädigte<br />
Bauelemente (zum Beispiel Überhitzung beim Lötvorgang)<br />
auftreten. In der Phase 2 weist die Baugruppe <strong>ein</strong>e<br />
relativ konstante Fehlerrate λ 0<br />
auf. In der Phase 3 steigen<br />
die Ausfälle an. Hier wird das Ende der Lebensdauer der<br />
Baugruppe (end of useful lifetime) erreicht. Die Ursache<br />
können zum Beispiel Elektrolytkondensatoren s<strong>ein</strong>, die<br />
das Ende ihrer Lebendsdauer erreicht haben. Im Weiteren<br />
wird angenommen, dass die Baugruppen in der Phase<br />
der konstanten Ausfallrate 2 betrieben werden.<br />
1.2 Mean Time To Failure (MTTF)<br />
Unter der Annahme <strong>ein</strong>er konstanten Fehlerrate λ kann<br />
über Gleichung (1) die Mean Time to Failure (MTTF)<br />
berechnet werden [4].<br />
MTTF = 1 / λ(1)<br />
Die MTTF ist <strong>ein</strong>e statistische Zahl, welche die Dauer des<br />
ungestörten Betriebes <strong>ein</strong>es Gerätes bis zum ersten Ausfall<br />
kennzeichnet. Die MTTF wird vom Hersteller <strong>ein</strong>es Gerätes<br />
anhand standardisierter Berechnungsverfahren (zum Beispiel<br />
MIL-HDBK-217 [13] oder Telcordia-Standard SR-332<br />
[16]) ermittelt. Bei dieser Berechnung werden die elektronischen<br />
und mechanischen Komponenten der Baugruppe in<br />
entsprechende Berechnungswerkzeuge [6] <strong>ein</strong>gegeben. Für<br />
jedes Bauteil kann angegeben werden, wie hoch es belastet<br />
ist und ob zusätzliche Stressfaktoren bestehen.<br />
Wesentliche Einflussfaktoren für die Höhe der MTTF<br />
sind unter anderem Anzahl und Typ der Bauelemente,<br />
Einsatztemperatur und sonstige Umgebungsbedingungen.<br />
Ver<strong>ein</strong>fachend lässt sich sagen, dass die Fehlerrate λ mit<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011<br />
45
Hauptbeitrag<br />
(t)<br />
0 = const .<br />
Phase 1<br />
(Frühausfälle)<br />
Phase 2<br />
(konstante Ausfallrate)<br />
Phase 3<br />
(Ende der Lebensdauer)<br />
t<br />
BILD 1: Ausfallverhalten elektronischer Komponenten<br />
Anzahl Ports Gerätetyp MTBF<br />
4+ Uplink Hirschmann,<br />
RS20-0400T1T1SDAEHH05.0.<br />
24 + Uplink Cisco-Catalyst 3750-24TS<br />
24 Ethernet 10/100 Ports<br />
zwei SFP uplinks<br />
48+ Uplink Cisco-Catalyst 3750-48TS<br />
48 Ethernet 10/100 ports and<br />
four SFP uplinks<br />
664.884h = 75,9 Jahre<br />
294.928h = 33,7 Jahre<br />
217.824 h = 24,9 Jahre<br />
TABELLE 1: MTBF-Angaben für Switches mit unterschiedlicher Portzahl [11] [12]<br />
zunehmender Komplexität <strong>ein</strong>er Baugruppe und steigender<br />
Temperatur zunimmt. Damit sinkt dann gemäß Gleichung<br />
(1) die MTTF. Die MTTF-Herstellerangaben beziehen<br />
sich in der Regel auf <strong>ein</strong>e Umgebungstemperatur von<br />
25 °C. Es ist zu beachten, dass die Ausfallrate <strong>ein</strong>er Baugruppe<br />
exponentiell mit der Temperatur ansteigt.<br />
1.3 Mean Time To Recover (MTTR)<br />
Als zweite Kenngröße wird nun der Begriff der MTTR <strong>ein</strong>geführt.<br />
MTTR ist die Abkürzung für Mean Time To Recover.<br />
Diese Zeit ist definiert als der durchschnittliche Zeitbedarf<br />
für die Reparatur oder den Austausch <strong>ein</strong>es defekten Gerätes.<br />
Die MTTR hängt im Wesentlichen von der Serviceorganisation<br />
des Betreibers und gegebenenfalls von der<br />
Ersatzteilversorgung durch den Hersteller ab. Wesentliche<br />
Einflussfaktoren sind:<br />
Zeitbedarf zum Erkennen <strong>ein</strong>es Fehlers (zum Beispiel<br />
durch Netzwerkmanagement-Tools)<br />
Zeitbedarf zum Auffinden des defekten Gerätes in<br />
der Anlage<br />
Zeitbedarf zum Austausch beziehungsweise zur Reparatur<br />
des defekten Gerätes. Bei Austausch des Gerätes<br />
ist die Beschaffungszeit für Ersatzteile, sofern<br />
k<strong>ein</strong>e sofortige Reparatur möglich ist, mit zu berücksichtigen<br />
Zeitbedarf, um das Gerät zu konfigurieren und wieder<br />
betriebsbereit zu machen<br />
Typische MTTR-Werte liegen, abhängig von der Serviceorganisation<br />
des Anlagenbetreibers, im Bereich von Stunden<br />
bis Tagen. Sind Ersatzteile nicht kurzfristig verfügbar,<br />
oder befindet sich das betrachtete Gerät an <strong>ein</strong>em Ort,<br />
der für Ersatzteillieferungen nicht oder nur schlecht<br />
zugänglich ist (zum Beispiel bei <strong>ein</strong>em Schiff auf hoher<br />
See oder auf <strong>ein</strong>er Forschungsstation am Südpol), kann<br />
die MTTR entsprechend größere Werte annehmen.<br />
1.4 Mean Time Between Failure (MTBF)<br />
Aus der MTTF und der MTTR kann die MTBF errechnet<br />
werden. Die MTBF ist die Abkürzung für Mean Time Between<br />
Failure und ist gemäß Gleichung (2) definiert [17]:<br />
46<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
(t)<br />
0 = const.<br />
t<br />
Verfügbarkeitsklasse<br />
(VK)<br />
VK 0<br />
Bezeichnung Betrachtungs<strong>ein</strong>heit,<br />
Prozess, System, Einheit, Komponente<br />
Ohne zugesicherte Verfügbarkeit<br />
Mindest-<br />
K<br />
Verfügbarkeit<br />
1<br />
Ausfallzeit<br />
pro Monat*<br />
VK 1 Normale Verfügbarkeit 99,0% < 8 h < 88 h<br />
VK 2 Erhöhte Verfügbarkeit 99,9% < 44 min < 9 h<br />
(t)<br />
Ausfallzeit<br />
pro Jahr*<br />
VK 3 Hochverfügbarkeit Beispiel: 99,99% < 5 min < 53 min<br />
0,7 0,7 0,7<br />
VK 4 Höchstverfügbar 99,999% < 26 s < 6 min<br />
0 = const.<br />
VK 5<br />
Verfügbarkeit unter extremen Bedingungen / auch bei höherer Gewalt (Disaster-Tolerant)<br />
K 2<br />
Mit V i = Verfügbarkeit von K n :<br />
V Serie<br />
= 0,7 0,7 0,7 = 0,343<br />
K n<br />
TABELLE 2:<br />
Verfügbarkeitsklassen<br />
des<br />
Bundesamtes<br />
für Informationssicherheit<br />
[10]<br />
*) bei 7 x 24 Stunden Betriebszeit<br />
K 1<br />
K 2<br />
K n<br />
K 1<br />
K 2<br />
K n<br />
K 1<br />
K 2<br />
K n<br />
Mit V i = Verfügbarkeit von K n :<br />
Mit V<br />
Mit V i = Verfügbarkeit von K<br />
i = Verfügbarkeit von K n : n :<br />
Beispiel:<br />
0,7 0,7 0,7<br />
V Serie<br />
= 0,7 0,7 0,7 = 0,343<br />
0,7<br />
0,7<br />
0,6 0,6<br />
V Parallel<br />
=1-( 1-0,7) ( 1-0,6 ) =1 ( 0,3 0,4) = 0,88<br />
BILD 2: Serienschaltung von drei Netzwerk-Switches<br />
BILD 3: Parallelschaltung von Netzwerk-Switches<br />
K 1<br />
K 2<br />
K n<br />
Mit V i = Verfügbarkeit von K n :<br />
MTBF = MTTF + MTTR(2)<br />
In der Literatur werden MTBF und MTTF häufig gleich<br />
gesetzt. Oggerino [7] verwendet zum Beispiel an Stelle<br />
der MTTF die MTBF, da diese in der Regel vom Hersteller<br />
des Gerätes zur Verfügung gestellt wird. Der durch diesen<br />
Schritt entstehende Fehler wird als vernachlässigbar<br />
erachtet.<br />
Tabelle 1 zeigt den Zusammenhang zwischen der<br />
Komplexität <strong>ein</strong>es Gerätes und der MTBF. Es ist zu erkennen,<br />
dass mit steigender Komplexität, hier repräsentiert<br />
durch die Anzahl der Ports, die MTBF sinkt. Hinzu<br />
kommen die individuellen Design- falls und Qualitätsas-<br />
ist<br />
operabel<br />
nicht operabel<br />
pekte der jeweiligen Hersteller. Beim Vergleich der<br />
MTBF-Angaben ist das zu Grunde gelegte Berechnungsverfahren<br />
zu beachten. Hier arbeiten die Hersteller teilweise<br />
nach unterschiedlichen Berechnungsverfahren,<br />
falls das System<br />
die zu abweichenden Ergebnissen führen können. So<br />
liefern Berechnungen nach dem Telcordia Standard SR<br />
332 [16] bessere Ergebnisse als solche, die nach MIL-<br />
HDBK 217 [13] berechnet wurden. Darüber hinaus geht,<br />
wie bereits erläutert, die Betriebstemperatur exponentiell<br />
in die Ausfallrate <strong>ein</strong>.<br />
0,7<br />
1.5 Die Verfügbarkeit (V)<br />
Aus der MTTF und der MTTR lässt sich nun gemäß Gleichung<br />
(3) die Verfügbarkeit V <strong>ein</strong>es <strong>ein</strong>zelnen Gerätes<br />
bestimmen [18].<br />
(3)<br />
operabel<br />
falls<br />
ist<br />
nicht operabel<br />
Die Verfügbarkeit V kann Werte zwischen 0 und 1 annehmen<br />
und gibt die Wahrsch<strong>ein</strong>lichkeit an, dass das<br />
Gerät funktionsfähig ist. Wie man aus Gleichung (3) ersehen<br />
kann, lässt sich falls <strong>ein</strong>e das System hohe Verfügbarkeit ist<br />
operabel<br />
nicht operabel<br />
dadurch<br />
erreichen, dass der Wert für die MTTF sehr groß s<strong>ein</strong><br />
muss, operabel in Relation ist zur MTTR. Dies lässt sich zum Beispiel<br />
nicht<br />
durch<br />
operabel<br />
folgende Maßnahmen erreichen:<br />
Hohe MTTF:<br />
Verwendung von Bauteilen mit erhöhter Lebensdauer bei<br />
hohen Temperaturen, beispielsweise Elektrolytkondensatoren<br />
(Gerätehersteller)<br />
falls<br />
alle Pfadelemente operabel sind<br />
falls<br />
alle Pfadelemente operabel sind<br />
sonst<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011<br />
47
Hauptbeitrag<br />
Vermeidung hoher Temperaturen. Ausreichende Kühlung<br />
der Baugruppe sicherstellen (Anlagenbetreiber)<br />
Auslegung des Gerätes so, dass die elektronischen Bauteile<br />
wie Halbleiter oder Kondensatoren unterhalb der<br />
maximalen Belastbarkeit betrieben werden, beispielsweise<br />
maximal zulässigen Strom, maximal zulässige<br />
Spannung möglichst unterschreiten (Gerätehersteller)<br />
Verzicht auf Bauteile mit hoher Ausfallrate, Verwendung<br />
zuverlässiger Komponenten (Gerätehersteller)<br />
Verwendung qualitativ hochwertiger Steckverbinder<br />
Geringe MTTR:<br />
Einsatz von Diagnosesystemen zum schnellen Auffinden<br />
von Fehlern (Anlagenbetreiber)<br />
Aktuelle Anlagendokumentation zur schnellen Lokalisierung<br />
defekter Geräte (Anlagenbetreiber)<br />
Diagnosesysteme für die Erkennung schleichender<br />
Degradation, zum Beispiel langsam absinkende<br />
Empfangsleistung am Empfänger <strong>ein</strong>er optischen<br />
Übertragungsstrecke<br />
Bevorratung von Ersatzteilen vor Ort (Anlagenbetreiber)<br />
Ersatzteillieferverträge mit garantierten, kurzen Lieferzeiten<br />
(Abstimmung zwischen Betreiber und Gerätehersteller)<br />
Maßnahmen zur schnellen Konfiguration ausgetauschter<br />
Geräte (Netzwerkmanagement-Tool oder<br />
Speicher-Stick)<br />
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass durch <strong>ein</strong>e<br />
geringe Ausfallrate der Geräte (hohe MTTF) in Verbindung<br />
mit kurzen Austausch- beziehungsweise Reparaturzeiten<br />
<strong>ein</strong>e hohe Verfügbarkeit <strong>ein</strong>es Gerätes erreicht<br />
wird. Wird <strong>ein</strong> potenzieller Fehler (zum Beispiel Verschlechterung<br />
der Signalstärke an <strong>ein</strong>em LWL-Empfänger)<br />
schon im laufenden Betrieb erkannt, ohne dass es<br />
bisher zu <strong>ein</strong>em Ausfall gekommen ist, kann unter Um-<br />
V 1<br />
0,9 0,7 0,7 0,7<br />
0,9<br />
0,6<br />
V V gesamt 2<br />
V2<br />
ABK<br />
1<br />
1<br />
V1<br />
2<br />
1 S1<br />
3<br />
V3<br />
BILD 4: Auflösung <strong>ein</strong>er gemischten<br />
Serien- und Parallelschaltung<br />
1<br />
2<br />
2 V4 1<br />
S2<br />
S3<br />
3<br />
3<br />
V5<br />
1 1<br />
PNK<br />
1<br />
PNK<br />
2<br />
V6<br />
S1<br />
S2<br />
S3<br />
Minimale Wege zwischen ABK1 und PNK1<br />
Weg 1: ABK1-S1-S3-S2-PNK1<br />
Weg 2: ABK1-S1-S2-PNK1<br />
S4<br />
S5<br />
S6<br />
K<strong>ein</strong> minimaler Weg:<br />
Weg 3: ABK1-S1-S2-S3-S1-S2-PNK1<br />
BILD 5: Auflösung <strong>ein</strong>es vermaschten<br />
Netzwerkes nicht möglich<br />
BILD 6: Beispielnetzwerk mit möglichen Pfaden<br />
zwischen ABK1 und PNK1<br />
48<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
ständen die MTTR auf wenige Minuten reduziert werden.<br />
In diesem Fall könnte <strong>ein</strong> Servicetechniker mit dem fertig<br />
parametrierten Ersatzgerät vor Ort s<strong>ein</strong>. Die MTTR wäre<br />
dann nur die r<strong>ein</strong>e Austauschzeit für das Gerät ohne Fehlersuche,<br />
ohne Ersatzteilbeschaffungszeit und ohne Konfigurationszeit<br />
für das Gerät.<br />
1.6 Verfügbarkeitsklassen<br />
Das Bundesamt für Informationssicherheit (BSI) hat <strong>ein</strong>en<br />
Leitfaden für das Design hochverfügbarer Systeme herausgegeben.<br />
In [9][10] definiert das BSI Verfügbarkeitsklassen<br />
hochverfügbarer Systeme für kritische Infrastrukturen.<br />
Tabelle 2 gibt <strong>ein</strong>en Überblick bei welcher Verfügbarkeit<br />
<strong>ein</strong>er Baugruppe mit welcher Ausfallzeit pro Monat<br />
beziehungsweise pro Jahr zu rechnen ist. Bei der Planung<br />
<strong>ein</strong>es Automatisierungsnetzwerkes sollte der Betreiber<br />
s<strong>ein</strong>e Verfügbarkeitsanforderung vorab spezifizieren.<br />
2. Zusammenschaltung von Komponenten<br />
Bisher wurden nur die MTTF, MTTR, MTBF und die Verfügbarkeit<br />
<strong>ein</strong>es <strong>ein</strong>zelnen Gerätes betrachtet. Eine Automatisierungsanlage<br />
besteht jedoch in der Regel aus <strong>ein</strong>er<br />
Vielzahl von Geräten, die über <strong>ein</strong> Netzwerk zu <strong>ein</strong>er<br />
Anlage verbunden werden. Liegen zwischen zwei Endpunkten,<br />
die in <strong>ein</strong>er Kommunikationsbeziehung zu<strong>ein</strong>ander<br />
stehen, mehrere Geräte, zum Beispiel Netzwerk-<br />
Switches, so geht die Verfügbarkeit dieser Geräte in die<br />
Verfügbarkeit der Gesamtverbindung <strong>ein</strong>. In diesem Abschnitt<br />
werden zunächst nur die aktiven Komponenten,<br />
wie Netzwerk-Switches, betrachtet. Die Verfügbarkeit der<br />
Kabelverbindungen wird erst zu <strong>ein</strong>em späteren Zeitpunkt<br />
in die Betrachtung aufgenommen.<br />
2.1 Auflösung von Reihen- und Parallelschaltungen<br />
Zunächst wird die Ver<strong>ein</strong>fachung <strong>ein</strong>facher Topologien<br />
mit Reihen- und Parallelschaltungen analysiert [4].<br />
Bild 2 zeigt <strong>ein</strong>e Serienschaltung von drei Netzwerk-Switches.<br />
Soll <strong>ein</strong> Datenpaket die Strecke<br />
durchlaufen, so müssen alle Komponenten, die auf<br />
der Strecke liegen, funktionsfähig s<strong>ein</strong>. Die Gesamtverfügbarkeit<br />
der Reihenschaltung berechnet sich aus<br />
dem Produkt der <strong>ein</strong>zelnen Verfügbarkeiten. Wie sich<br />
aus Bild 2 ersehen lässt, ist die resultierende Verfügbarkeit<br />
der Reihenschaltung geringer, als die der <strong>ein</strong>zelnen<br />
Komponenten.<br />
Bild 3 zeigt das Berechnungsverfahren zur Berechnung<br />
der Verfügbarkeit <strong>ein</strong>er Parallelschaltung. Für die<br />
Berechnung wird zunächst die Nichtverfügbarkeit <strong>ein</strong>er<br />
Strecke nach Gleichung (4) berechnet.<br />
N i<br />
= (1-V i<br />
)(4)<br />
Das Produkt aller Nichtverfügbarkeiten N parallel<br />
gibt die<br />
Wahrsch<strong>ein</strong>lichkeit an, dass alle parallelen Pfade gleichzeitig<br />
ausgefallen sind.<br />
N parallel<br />
= (1-V 1<br />
)·(1-V 2<br />
)·…·(1-V n<br />
)(5)<br />
Bildet man nun wieder die Gegenwahrsch<strong>ein</strong>lichkeit<br />
zur Nichtverfügbarkeit, erhält man nach Gleichung (6)<br />
die Verfügbarkeit der parallelen Anordnung<br />
V parallel<br />
= 1-N parallel<br />
= 1-(1-V 1<br />
)·(1-V 2<br />
)·…·(1-V n<br />
)(6)<br />
Wie man sehen kann, steigt durch die parallele Anordnung<br />
die Gesamtverfügbarkeit der Anordnung. Diese<br />
Erhöhung der Verfügbarkeit wird beim Aufbau redundanter<br />
Netzwerkstrukturen ausgenutzt. Die Verfügbarkeit<br />
von Kombinationen aus Reihen- und Parallelschaltungen<br />
lassen sich durch die beschriebenen Verfahren,<br />
durch sukzessives Auflösen der Reihen- und Parallelschaltungen,<br />
ermitteln.<br />
Wie in Bild 4 gezeigt lassen sich Kombinationen von<br />
Serien- und Parallelschaltung schrittweise auflösen. Dieses<br />
Verfahren stößt jedoch an Grenzen, wenn vermaschte<br />
Netzwerke berechnet werden sollen.<br />
Bild 5 zeigt <strong>ein</strong>e vermaschte Netzwerktopologie, in der<br />
zwei Ringe enthalten sind. Hier ist <strong>ein</strong>e Berechnung der<br />
gesamten Verfügbarkeit, über die bisher beschriebenen<br />
Verfahren der Auflösung von Reihen- oder Parallelschaltungen,<br />
nicht möglich. Die aus der Elektrotechnik bekannten<br />
Verfahren zur Stern-/Dreieck-Umrechnung<br />
elektrischer Netzwerke sind in der Wahrsch<strong>ein</strong>lichkeitsrechnung<br />
nicht anwendbar. Daher ist <strong>ein</strong> anderer Ansatz<br />
erforderlich.<br />
2.2 Ansatz für vermaschte Netzwerke<br />
Da in der Automatisierungstechnik regelmäßig ringförmige<br />
oder vermaschte Topologien vorkommen, müssen<br />
zur Berechnung derartiger Topologien andere Verfahren<br />
der <strong>Zuverlässigkeit</strong>srechnung <strong>ein</strong>gesetzt werden, zum<br />
Beispiel das Verfahren der minimalen Wege, wie es in [4]<br />
[5] [14] [15] beschrieben wird.<br />
Bild 6 zeigt <strong>ein</strong>e ringförmige Netzwerktopologie mit<br />
angeschlossenen Endgeräten ABK1, PNK1 und PNK2.<br />
Es soll die Verfügbarkeit der Netz-werkverbindung<br />
zwischen ABK1 und PNK1 ermittelt werden. Ein minimaler<br />
Weg ist <strong>ein</strong> Weg, der k<strong>ein</strong>en anderen Weg als<br />
echte Teilmenge enthält. Für die Ermittlung der minimalen<br />
Wege kann zum Beispiel <strong>ein</strong> Brute-Forceoder<br />
<strong>ein</strong> Back-Tracking-Verfahren verwendet werden.<br />
Wie man in Bild 6 sehen kann, stehen für den Austausch<br />
von Daten die Wege 1 und 2 zur Verfügung.<br />
Bei dieser Betrachtung ist es unerheblich, dass im<br />
ungestörten Betrieb <strong>ein</strong>e der Verbindungen (beispielsweise<br />
V4) temporär inaktiv ist und erst im Störfall<br />
aktiviert wird.<br />
Für den folgenden Abschnitt, der die Berechnungen<br />
erläutert, werden die Definitionen und Gleichungen aus<br />
[15] übernommen, die sich sinngemäß auch in [4] [5] und<br />
[14] finden. Ein System mit n Komponenten soll unter den<br />
folgenden Annahmen betrachtet werden:<br />
Jedes Element e i<br />
(i = 1,…,n) soll die Zustände<br />
operabel oder nicht operabel aufweisen.<br />
Die Lebensdauer T i<br />
der Elemente e i<br />
ist statistisch<br />
unabhängig.<br />
Das Systemverhalten wird als zeitinvariant<br />
angenommen.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011<br />
49
falls das System<br />
falls das System<br />
operabel<br />
nicht operabel operabel<br />
nicht operabel<br />
ist<br />
ist<br />
Hauptbeitrag<br />
Für jedes Element e i<br />
des Systems wird <strong>ein</strong>e Boolsche<br />
Variable x i<br />
definiert zu:<br />
falls<br />
falls<br />
alle Pfadelemente operabel sind<br />
alle Pfadelemente sonst operabel sind<br />
sonst<br />
(11)<br />
operabel<br />
falls<br />
ist<br />
nicht (7)<br />
operabel<br />
falls<br />
ist<br />
nicht operabel<br />
Die Systemfunktion S(x) ist wie in Gleichung (8) angegeben<br />
definiert:<br />
operabel operabel<br />
falls falls das Systemist<br />
ist<br />
nicht nicht operabel<br />
operabel operabel<br />
falls das System<br />
ist (8)<br />
falls<br />
ist<br />
nicht operabel nicht operabel<br />
Die Systemfunktion <strong>ein</strong>er Serienschaltung operabel kann, wie<br />
falls das System<br />
ist<br />
in Abschnitt 2.1. gezeigt, gemäß Gleichung nicht operabel (9) bestimmt<br />
operabel<br />
werden:<br />
falls das System<br />
ist<br />
nicht operabel<br />
(9)<br />
Die Systemfunktion <strong>ein</strong>er Parallelschaltung ergibt sich<br />
alle Pfadelemente operabel sind<br />
wie in Gleichung falls (10) dargestellt<br />
alle Pfadelemente sonst<br />
zu:<br />
operabel sind<br />
falls<br />
sonst<br />
(10)<br />
Wird <strong>ein</strong>e Pfadfunktion alle Pfadelemente P operabel sind<br />
falls j<br />
(x), wie in Gleichung (11) angegeben<br />
definiert, kann die Systemfunktion sonst S(x) gemäß<br />
alle Pfadelemente operabel sind<br />
Gleichung (12) bestimmt falls werden<br />
sonst<br />
(12)<br />
Ersetzt man die binären Variablen durch stochastische<br />
Variablen, kann die Verfügbarkeit des Systems zwischen<br />
zwei beliebigen Knoten bestimmt werden.<br />
3. Berechnungsbeispiel<br />
Die Verfügbarkeit zwischen den Komponenten ABK1<br />
und PNK1 in Bild 6 soll nun bespielhaft berechnet<br />
werden. Um die Betrachtung zu ver<strong>ein</strong>fachen, werden<br />
nur die aktiven Komponenten <strong>ein</strong>bezogen und die Kabel<br />
vernachlässigt. Selbstverständlich können zu <strong>ein</strong>em<br />
späteren Zeitpunkt die Kabel mit in die Betrachtung<br />
aufgenommen werden. Aus Bild 6 ist ersichtlich,<br />
dass zwischen den Komponenten ABK1 und PNK1 die<br />
minimalen Pfade P 1<br />
und P 2<br />
existieren. P 3<br />
ist k<strong>ein</strong> minimaler<br />
Pfad, da er den Pfad P 1<br />
als echte Teilmenge<br />
enthält.<br />
Referenzen<br />
[1] Niemann, K.-H.: Vergleichende Untersuchung von Netzwerktopologien<br />
für Automatisierungssysteme. 4. Industrial Ethernet Kongress.<br />
4.-5. Juli 2006. Stuttgart. Auf CD erschienen<br />
[2] Niemann, K.-H.: Überlegungen zur Topologie von Automatisierungsnetzwerken.<br />
Teil 1: Grundlagen und Stand der Standardisierung von<br />
Netzwerktopologien. In <strong>atp</strong> Automatisierungstechnische Praxis<br />
9/2006. Oldenbourg Verlag, München, 2006, S. 50-56<br />
[3] Niemann, K.-H.: Überlegungen zur Topologie von Automatisierungsnetzwerken.<br />
Teil 2: Kosten und Performanceanalyse. In <strong>atp</strong> Automatisierungstechnische<br />
Praxis 10/2006. Oldenbourg Verlag, München,<br />
2006, S. 64-72<br />
[4] Meyna, A., Pauli, B.: Taschenbuch der <strong>Zuverlässigkeit</strong>stechnik:<br />
Quantitative Bewertungsverfahren. Hanser Verlag, München,<br />
Wien 2010<br />
[5] Höfle-Isphording, U. : <strong>Zuverlässigkeit</strong>srechnung. Springer Verlag<br />
Berlin, Heidelberg, New York, 1978<br />
[6] ReliaSoft Corporation (Hrsg.): Firmenbroschüre λ Predict.<br />
Download unter: http://www.reliasoft.com/pubs/lambda_predict_<br />
brochure.pdf, ReliaSoft Corporation, Worldwide Headquarters, 1450<br />
South Eastside Loop.Tucson Arizona 85710-6703<br />
[7] Oggerino, Chris: High Availability Network Fundamentals.<br />
Ciscopress, Indianapolis, 2001<br />
[8] Anwender-Handbuch Netzmanagementsystem Industrial HiVision<br />
4.2.00, Release 04.2.00 05/2011. Hirschmann Automation and Control<br />
GmbH, 2011. Best. Nr. 039 514-007-01-0511– 20.5.11.<br />
http://www.e-catalog.beldensolutions.com/link/57078-24455-<br />
24540-24541-176891/de/IHV-025F04.2/0<br />
[9] Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik: Hochverfügbarkeitskompendium<br />
V1.2. HV-Analyse, Phasenübersicht. Download<br />
unter: https://www.bsi.bund.de/cae/servlet/contentblob/483608/<br />
publicationFile/30957/2_1_HV-AnalysePhasenuebersicht_pdf.pdf<br />
[10] Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik: Hochverfügbarkeitskompendium<br />
V1.2. Definitionen und Metriken für die<br />
Hochverfügbarkeit. https://www.bsi.bund.de/cae/servlet/contentblob/483606/publicationFile/30961/1_2_Definitionen_pdf.pdf"<br />
[11] Cisco: Cisco Catalyst 3750 Data Sheet. Cisco Systems, Inc.,<br />
Order Nr. C78-387055-05 09/09. 2009<br />
[12] Belden / Hirschmann: Datenblatt Kompakter OpenRail Fast Ethernet<br />
Switch 4-24 Ports, ohne Fiber Ports - RS20-0400T1T1SDAEHH05.0<br />
[13] Military Handbook: Reliability Prediction of electronic Equipment.<br />
MIL-HDBK-217F. Department of Defense, Washington DC, 1991<br />
[14]VDI 4008, Blatt 8: Strukturfunktionen und ihre Anwendung.<br />
VDI–Verlag Düsseldorf, 1986<br />
[15] Franz, F.: Stochastische Modelle und Statistik für <strong>Zuverlässigkeit</strong>ssysteme.<br />
Dresden, 2009. http://www.math.tu-dresden.de/~franz/<br />
zuverlaessigkeit-wi08.htm<br />
[16] Reliability Prediction Procedure for Electronic Equipment. Document<br />
Number S-332, Issue Telcordia Technologies Inc. Jan. 2011.<br />
Bestellinformationen unter: http://telecom-info.telcordia.com/<br />
site-cgi/ido/docs.cgi?ID=SEARCH&DOCUMENT=SR-332&#ORD<br />
[17] IEC 62439 High availability automation networks. Edition 1.0 2008-05<br />
[18] Definitionen und Metriken für die Hochverfügbarkeit. Bundesamt für<br />
Sicherheit in der Informationstechnik. 2009. Download:<br />
https://www.bsi.bund.de/cae/servlet/contentblob/483606/<br />
publicationFile/30971/1_2_Definitionen_pdf.pdf<br />
[19] Duan, Na: Berechnung der Verfügbarkeit von Netzwerktopologie<br />
mit Hilfe <strong>ein</strong>es Computer Algebra Systems. Diplomarbeit, Fachhochschule<br />
Hannover, 2008<br />
50<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
falls<br />
falls<br />
falls<br />
nicht operabel<br />
operabel<br />
ist<br />
nicht operabel<br />
operabel falls das System<br />
nicht falls operabel das System ist<br />
operabel<br />
nicht<br />
operabel<br />
operabel<br />
nicht operabel<br />
operabel<br />
operabel falls das System<br />
ist<br />
alle Pfadelemente ist<br />
nicht operabel<br />
nicht operabel operabel sind<br />
falls operabel<br />
falls das Systemsonst<br />
ist<br />
nicht operabel<br />
alle Pfadelemente operabel sind<br />
falls<br />
sonst operabel<br />
falls das System<br />
ist<br />
nicht operabel<br />
Gemäß Gleichung (12) ergibt sich die Systemgleichung<br />
für <strong>ein</strong> System mit zwei alle Pfaden Pfadelemente wie operabel in (13) sind dargestellt:<br />
falls alle Pfadelemente<br />
falls sonst<br />
operabel sind<br />
sonst (13)<br />
operabel<br />
falls alle Pfadelemente ist operabel sind<br />
falls nicht operabel<br />
Wird Gleichung (13) ausmultipliziert sonst und anschließend<br />
faktorisiert, ergibt alle Pfadelemente sich Gleichung operabel (14) sind<br />
falls<br />
sonst<br />
operabel<br />
falls das System (14)<br />
ist<br />
alle Pfadelemente nicht operabel operabel sind<br />
falls<br />
sonst<br />
Die beiden Pfadfunktionen P 1<br />
und P 2<br />
ergeben sich gemäß<br />
den Gleichungen (15) und (16). Hierbei entsprechen<br />
die Variablen ABK1, SW1, etc. den booleschen Variablen<br />
x i<br />
aus Gleichung (7).<br />
ist<br />
ist<br />
(15)<br />
schule Hannover <strong>ein</strong>e Berechnungssoftware entwickelt.<br />
Dieses Projekt wurde von der Arbeitsgem<strong>ein</strong>schaft für<br />
innovative Projekte (AGIP) mit Mitteln des Landes Niedersachsen<br />
mit dem Förderkennzeichen 2006.742 gefördert.<br />
Für die Berechnung der Verfügbarkeit <strong>ein</strong>er Netzwerkverbindung<br />
wird bei der vorgestellten Software in folgenden<br />
Schritten vorgegangen: Zunächst werden die im<br />
Netzwerk verwendeten Geräte und Verbindungskabel<br />
(beziehungsweise Funkstrecken), so wie in Bild 7 dargestellt,<br />
spezifiziert. Es können für jedes Gerät individuelle<br />
Kennzahlen verwendet werden.<br />
Im in Bild 7 dargestellten Beispiel werden aus Ver<strong>ein</strong>fachungsgründen<br />
für alle Geräte und Verbindungen <strong>ein</strong>heitlich<br />
<strong>ein</strong>e MTTF von 43 800 Stunden (5 Jahre) und <strong>ein</strong><br />
MTTR von 24 Stunden angenommen. Grundsätzlich sind<br />
(16)<br />
alle Pfadelemente operabel sind<br />
Einsetzen der Pfadfunktionen falls<br />
sonst (15) und (16) in die Gleichung<br />
(14) führt zu Gleichung (17)<br />
(17)<br />
Wird Gleichung (17) ausmultipliziert, erhält man Gleichung<br />
(18).<br />
(18)<br />
Die Nutzung des Idempotenzgesetzes für x² = x für binäre<br />
Variablen führt zur Gleichung (19)<br />
(19)<br />
Die Anwendung des Idempotenzgesetzes für logische<br />
Gleichungen stellt bei der Verarbeitung der Systemgleichung<br />
sicher, dass das Ausfallverhalten von Komponenten<br />
die Bestandteil mehrerer Pfade sind (zum Beispiel<br />
Switch S1) entsprechend berücksichtigt werden. Nimmt<br />
man für dieses Berechnungsbeispiel für alle aktiven Elemente<br />
e i<br />
<strong>ein</strong>e Verfügbarkeit p i<br />
= 0,9 an (Kabel nicht berücksichtigt),<br />
lässt sich die Verfügbarkeit V(S(2)) gemäß<br />
Gleichung (20) bestimmen<br />
(20)<br />
BILD 7: Spezifikation der Geräte mit MTTF- und MTTR-Angaben<br />
BILD 8: Verbindungsliste des zu berechnenden Beispiels<br />
Bei diesem Verfahren kommt k<strong>ein</strong>e Simulation des<br />
Ausfallverhaltens (beispielsweise Monte-Carlo-Simulation)<br />
zum Einsatz. Daher sind die Ergebnisse reproduzierbar<br />
und nicht von der Rechendauer abhängig, so<br />
wie das bei <strong>ein</strong>er Monte-Carlo-Simulation der Fall wäre.<br />
4. Beschreibung der Software<br />
Für die Berechnung der Verfügbarkeit von vermaschten<br />
Automatisierungsnetzwerken wurde an der Fachhoch-<br />
BILD 9: Ergebnisfenster<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011<br />
51
Hauptbeitrag<br />
für jedes Gerät individuelle Angaben möglich. Während<br />
Hersteller für elektronische Komponenten die MTTF beziehungsweise<br />
MTBF angeben, sind diese Werte in der<br />
Regel für Kabel nicht verfügbar. Hier kann man in der<br />
Regel nur typische Angaben aus der Literatur [4] oder<br />
Angaben zu Steckverbindern aus dem MIL-HDBK-217F<br />
[13] verwenden. In <strong>ein</strong>em zweiten Schritt werden nun,<br />
wie in Bild 8 gezeigt, die Verbindungen <strong>ein</strong>gegeben.<br />
Über die in Bild 7 gezeigten Felder Quellgerät und<br />
Zielgerät kann festgelegt werden, zwischen welchen<br />
Geräten die Verfügbarkeit bestimmt werden soll. Dies<br />
können beliebige Punkte im Netzwerk s<strong>ein</strong>. Nach Betätigung<br />
der Schaltfläche Berechnen wird die Berechnung<br />
durchgeführt und das Ergebnis in <strong>ein</strong>em Ergebnisfenster<br />
angezeigt.<br />
Da in vielen Anwendungen in der Industrie mit redundanten<br />
Netzwerken gearbeitet wird, kann durch <strong>ein</strong>e<br />
Anwahlbox zusätzlich die Verfügbarkeit <strong>ein</strong>es redundanten<br />
Netzwerkes in die Berechnung mit <strong>ein</strong>bezogen<br />
werden, ohne dass die redundanten Strecken zusätzlich<br />
<strong>ein</strong>gegeben werden müssen. Neben der manuellen Eingabe<br />
kann die realisierte Software auch Gerätelisten aus<br />
Excel oder von Netzwerkmanagement-Softwarepakten<br />
importieren. Hierdurch wird die manuelle Eingabe der<br />
Komponenten- und Verbindungsliste <strong>ein</strong>gespart, da diese<br />
in solchen Softwarewerkzeugen in der Regel bereits<br />
vorliegt. Neben <strong>ein</strong>er Importfunktion für Geräte- und<br />
Verbindungslisten wurde auch <strong>ein</strong>e Exportfunktion in<br />
der Software realisiert.<br />
Für die realisierte Software werden im Folgenden die<br />
wesentlichen Eigenschaften beschrieben:<br />
Berechnung mit Fließkommazahlen mit 128 Bit<br />
Wortlänge<br />
Berechnung der Verfügbarkeit nach dem Verfahren<br />
der minimalen Wege<br />
K<strong>ein</strong>e Monte-Carlo-Simulation<br />
Rechenaufwand steigt exponentiell zur Anzahl<br />
der gefundenen Pfade<br />
Bis zu 40 parallele Pfade zwischen zwei Punkten<br />
mit vertretbarem Zeitaufwand berechenbar;<br />
Rechenzeit in diesem Fall 2 s<br />
Eine Verifikation der Korrektheit der Software durch manuelles<br />
Berechnen ist wegen des zeitlichen Aufwandes<br />
und wegen des Fehlerrisikos nur für <strong>ein</strong>fache Topologien<br />
möglich. Um dennoch <strong>ein</strong>e Aussage über die Korrektheit<br />
der Implementierung zu erhalten, wurde im Rahmen <strong>ein</strong>er<br />
Diplomarbeit das Verfahren der minimalen Wege in<br />
<strong>ein</strong>em Computer-Algebra-System (MathCAD) parallel implementiert.<br />
Im Rahmen der Diplomarbeit [19] wurden<br />
<strong>ein</strong>e größere Zahl recht umfangreicher Topologien mit<br />
dem Computer-Algebra-System berechnet und die Ergebnisse<br />
wurden mit den Resultaten der entwickelten Software<br />
verglichen. Die Arbeit zeigte <strong>ein</strong>e gute Über<strong>ein</strong>stimmung<br />
der beiden Implementierungen. Weiterhin wurden<br />
die Beispieltopologien noch mit <strong>ein</strong>em kommerziell verfügbaren<br />
Berechnungswerkzeug zur <strong>Zuverlässigkeit</strong>srechnung<br />
verifiziert.<br />
Da die Eingabe der Komponenten und Netzlisten <strong>ein</strong>e<br />
recht mühsame und fehleranfällige Angelegenheit ist,<br />
wurde das Berechnungsmodul inzwischen in <strong>ein</strong>e<br />
Netzwerkmanagement-Software [8] integriert. Hier<br />
kann die Netzwerktopologie in grafischer Form <strong>ein</strong>gegeben<br />
und anschließend die Verfügbarkeit berechnet<br />
werden. Alternativ gibt es auch die Möglichkeit, bei bestehenden<br />
Anlagen die Topologie durch Anschluss des<br />
Netzwerkmanagement-PCs an das Netzwerk und <strong>ein</strong>en<br />
anschließenden Netzwerk-Scan zu ermitteln.<br />
Fazit<br />
In Teil 1 des zweiteiligen Beitrags wurden die Grundlagen<br />
der Verfügbarkeitsrechnung erläutert. Die Berechnung der<br />
Zusammenschaltung mehrerer Geräte wurde beschrieben<br />
und es wurde festgestellt, dass vermaschte oder ringförmige<br />
Topologien über die Auflösung von Reihen- und<br />
Parallelschaltungen nicht zu berechnen sind. Der Beitrag<br />
stellt <strong>ein</strong> alternatives Berechnungsverfahren nach der<br />
Methode der minimalen Wege vor und beschreibt <strong>ein</strong>e für<br />
dieses Verfahren entwickelte Software zur Berechnung<br />
der Netzwerkverfügbarkeit.<br />
Manuskript<strong>ein</strong>gang<br />
01.10.2010<br />
Autor<br />
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />
Prof. Dr.-Ing. Karl-H<strong>ein</strong>z<br />
Niemann (geb. 1959) vertritt<br />
seit dem Jahr 2005 die<br />
Lehrgebiete Prozessinformatik<br />
und Automatisierungstechnik<br />
an der Fachhochschule<br />
Hannover. Von 2002<br />
bis 2005 war er an der<br />
Fachhochschule Nordostniedersachsen<br />
für das Lehrgebiet Prozessdatenverarbeitung<br />
verantwortlich. Davor war er in<br />
leitender Stellung in der Entwicklung von<br />
Prozessleitsystemen unter anderem bei ABB,<br />
Elsag Bailey und Hartmann & Braun tätig.<br />
Fachhochschule Hannover,<br />
Fakultät I – Elektro- und Informationstechnik,<br />
Postfach 92 02 61, D-30441 Hannover,<br />
Tel. +49 (0) 511 92 96 12 64,<br />
E-Mail: Karl-H<strong>ein</strong>z.Niemann@FH-Hannover.de<br />
52<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
Praxisseminar<br />
12. + 13. oktober 2011<br />
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beträchtlich s<strong>ein</strong>. Denn sie ist <strong>ein</strong> Leitfaden, der anhand von beispielhaften Verhaltensregeln<br />
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sollten, damit sie nach internationalem Verständnis als gesellschaftlich<br />
verantwortungsvoll angesehen werden. Er stimmt sowohl mit den Richtlinien<br />
der Ver<strong>ein</strong>ten Nationen UN als auch mit den Richtlinien der internationalen<br />
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Nutzung personenbezogener Daten: Für die Auftragsabwicklung und zur Pflege der laufenden Kommunikation werden personenbezogene Daten erfasst und gespeichert. Mit dieser Anforderung erkläre ich mich damit <strong>ein</strong>verstanden, dass ich vom<br />
Oldenbourg Industrieverlag oder vom Vulkan-Verlag per Post, per Telefon, per Telefax, per E-Mail, nicht über interessante, fachspezifische Medienund Informationsangebote informiert und beworben werde. Diese Erklärung kann<br />
ich mit Wirkung für die Zukunft jederzeit widerrufen.
hauptbeitrag<br />
Energieautarker drahtloser<br />
Temperaturtransmitter<br />
K<strong>ein</strong> Batteriewechsel dank Energy Harvesting<br />
Drahtlose Feldgeräte erlauben den flexiblen Einsatz von Sensoren in der Prozessautomatisierung.<br />
Wichtig ist dabei <strong>ein</strong>e dauerhafte und wartungsfreie Energieversorgung der<br />
Geräte. Der Beitrag stellt <strong>ein</strong>en energieautarken WirelessHART funkbasierten Temperaturtransmitter<br />
mit voll integrierten mikro-thermoelektrischen Generatoren vor, welcher<br />
sich aus <strong>ein</strong>em vorherrschenden Temperaturgradienten eigenständig mit Energie versorgt.<br />
SCHLAGWÖRTER Drahtlos / Prozessautomatisierung / Instrumentierung /<br />
Energy Harvesting / energieautarke Geräte<br />
Energy Autonomous Wireless Temperature Transmitter for Process Industry –<br />
No More Battery Changes Due to Integrated Energy Harvesting<br />
Wireless field devices enable the flexible application of sensors in modern process automation.<br />
However, durable and maintenance free energy supply is an important aspect.<br />
Hence, the application of primary batteries does not offer a satisfactory solution. This<br />
article describes an energy autonomous WirelessHART based temperature transmitter<br />
with fully integrated micro-thermoelectric generators which enable power generation<br />
from thermal gradients between process and ambient.<br />
KEYWORDS Wireless sensors / process automation / process instrumentation /<br />
energy harvesting / autonomous devices<br />
54<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
Marco Ulrich, Philipp Nenninger, ABB Forschungszentrum Deutschland<br />
Joachim Nurnus, Micropelt<br />
Sensoren sind in der Prozessinstrumentierung<br />
<strong>ein</strong> wichtiger Baust<strong>ein</strong>. Der Einsatz von Sensoren<br />
ist jedoch teuer, oftmals nicht wegen der<br />
Kosten des Sensors selbst, sondern wegen der<br />
gesamten Inbetriebnahme- und Infrastrukturkosten<br />
<strong>ein</strong>schließlich Energie- und Signalleitungen. Diese<br />
können bis zu 90 % der Gesamtkosten betragen. Vor<br />
allem die nachträgliche Installation von Messgeräten ist<br />
dadurch mit hohen Ausgaben verbunden. Deshalb werden<br />
viele Sensoren erst gar nicht <strong>ein</strong>gesetzt, und man<br />
nimmt eventuelle Prozessungenauigkeiten in Kauf, um<br />
Anlagenkosten gering zu halten. Funksensorik stellt<br />
hierfür <strong>ein</strong>e Lösung bereit.<br />
1. Drahtlose Prozessinstrumentierung<br />
Drahtlose Geräte erlauben den flexiblen Einsatz selbst an<br />
entlegenen und schlecht zugänglichen Messstellen oder<br />
auf bewegten Einrichtungen. Sie ermöglichen oftmals erst<br />
die Verwendung von Messgeräten und Sensoren und<br />
schaffen dadurch neue Spielräume für die Automatisierungs-<br />
und Prozesstechnik.<br />
Neben der Erfassung des eigentlichen Primärmesswerts<br />
(zum Beispiel Temperatur, Druck oder Durchfluss)<br />
sind inzwischen in der Prozessautomatisierung<br />
auch weitere Zusatzdienste gefordert. Diese umfassen<br />
beispielsweise die Möglichkeit, Feldgeräte aus der<br />
Warte heraus zu konfigurieren oder zusätzliche Messund<br />
Diagnosedaten abzufragen. Aus diesen können<br />
dann Rückschlüsse auf den Zustand des Gerätes oder<br />
der Anlage gezogen werden, um gegebenenfalls <strong>ein</strong>e<br />
notwendige Wartung oder den Austausch <strong>ein</strong>es Geräts<br />
zu <strong>ein</strong>em geeigneten Zeitpunkt durchzuführen,<br />
anstatt auf <strong>ein</strong>en möglichen Ausfall zu warten. Zudem<br />
können auch zusätzliche Informationen über den<br />
Prozess gewonnen werden, um so die Regelung zu<br />
verbessern.<br />
Diese Funktionalität muss gerade auch von funkbasierten<br />
Systemen bereitgestellt werden, ebenso wie der<br />
langfristige und sichere Betrieb, die Nachrüstbarkeit,<br />
sowie die Interoperabilität von Systemen. Mit Blick auf<br />
die Prozessindustrie wurde hier bereits im Jahr 2007 von<br />
der HART Communication Foundation die HART-7-Spezifikation<br />
verabschiedet, die auch den WirelessHART-<br />
Standard b<strong>ein</strong>haltet. Mittel- und langfristig werden nur<br />
drahtlose Geräte am Markt Beachtung finden, die diesen<br />
oder ähnliche Industriestandards unterstützen und somit<br />
herstellerübergreifend in vermaschte Netze integriert<br />
werden können [1].<br />
2. Energieautarke drahtlose Feldgeräte<br />
Eine große Herausforderung für die Anwendung von kabellosen<br />
Feldgeräten in der Prozessinstrumentierung ist<br />
die zuverlässige und dauerhafte Energieversorgung [2].<br />
Der Einsatz von Primärbatterien war hierfür bisher die<br />
<strong>ein</strong>zige Möglichkeit, obwohl sie auf Grund des unvermeidlichen<br />
Batteriewechsels k<strong>ein</strong>e zufriedenstellende<br />
Lösung darstellt. Für den Anlagenbetreiber entsteht<br />
durch den regelmäßigen Austausch von Batterien <strong>ein</strong> Arbeitsaufwand,<br />
der je nach Anzahl und Erreichbarkeit der<br />
drahtlosen Geräte beträchtlich s<strong>ein</strong> kann und der unter<br />
Umständen Kosten verusacht, die in ähnlichen Größenordnungen<br />
liegen können wie die zuvor <strong>ein</strong>gesparten<br />
Infrastrukturkosten.<br />
Um die Batterielebensdauer zu verlängern, muss daher<br />
zunächst der Energieverbrauch drahtloser Geräte konsequent<br />
optimiert werden. Trotzdem werden je nach Anwendung<br />
in aller Regel nur Lebensdauern von <strong>ein</strong>igen<br />
Jahren erzielt, wobei von der Prozessindustrie 5–10 Jahre<br />
oder mehr gefordert werden.<br />
Um diese Forderung für drahtlose Feldgeräte zu erfüllen,<br />
müssen daher alternative, dauerhaft verfügbare<br />
Energiequellen genutzt werden. Die Wandlung von in<br />
der Umgebung des Feldgeräts verfügbarer Energie in – im<br />
Sinne der Aufgabenstellung – nutzbare elektrische Energie<br />
wird mit dem Begriff Energy Harvesting bezeichnet,<br />
und löst diese Aufgabe [3].<br />
Die größte Herausforderung bei der sinnvollen Nutzung<br />
von Energy-Harvesting-Technologien in der Pro-<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011<br />
55
Hauptbeitrag<br />
BILD 1: Mithilfe unterschiedlicher<br />
Wandlermechanismen<br />
kann Umgebungsenergie<br />
oder Energie,<br />
welche direkt vom Prozess<br />
selbst kommt, in elektrisch<br />
nutzbare Energie umgewandelt<br />
und Feldgeräten der<br />
Prozessinstrumentierung<br />
bereitgestellt werden. Diese<br />
Technik wird als Energy<br />
Harvesting bezeichnet.<br />
BILD 2: In der Micropelt-Technologie werden aus je zwei vorstrukturierten Wafern mit <strong>ein</strong>er<br />
hohen Packungsdichte (links) an miniaturisierten thermoelektrischen Strukturen (Mitte) über<br />
<strong>ein</strong>en Bondprozess Mikro-Thermogeneratoren (rechts) hergestellt.<br />
zessautomatisierung ist dabei die Entwicklung <strong>ein</strong>es<br />
möglichst universellen Aufbaus, welcher zu jeder<br />
Zeit in den meist sehr heterogenen Appliaktionsszenarien<br />
der Feldgeräte funktioniert. Die Umgebungsbedingungen<br />
in der Anlage variieren in der Regel<br />
deutlich, und es wäre nicht praktikabel, zunächst die<br />
Einbausituation jedes <strong>ein</strong>zelnen Gerätes zu prüfen,<br />
bevor die Wahl des Energy-Harvesting-Systems beziehungsweise<br />
dessen Anpassung oder Optimierung<br />
vorgenommen werden kann.<br />
Im Rahmen der Zusammenarbeit zwischen dem ABB<br />
Forschungszentrum und der Micropelt GmbH wurde<br />
daher erstmals <strong>ein</strong> völlig energieautarker Temperaturtransmitter<br />
entwickelt, welcher die intrinsischen Temperaturdifferenzen<br />
ausnutzt, die bei Temperaturmessstellen<br />
naturgemäß herrschen. Bei dem Gerät werden<br />
die Messelektronik und das Funkmodul durch <strong>ein</strong> im<br />
Gerät voll integriertes Energy-Harvesting-Konzept mit<br />
Energie versorgt.<br />
2.1 Mikro-thermoelektrische Generatoren<br />
In <strong>ein</strong>er typischen Prozessumgebung gibt es zahlreiche<br />
Energiequellen die zur Versorgung von drahtlosen<br />
Feldgeräten verwendet werden können (siehe Bild 1).<br />
Dabei können Energieformen aus der Umgebung oder<br />
dem Prozess selbst genutzt werden [4]. Verschiedene<br />
Wandlermechanismen erzeugen dann durch das Feldgerät<br />
nutzbare elektrische Energie. Vertreter der für<br />
die Prozessinstrumentierung wichtigen Energiequellen<br />
sind dabei:<br />
Solare Einstrahlung/Licht: Aktuelle Photovoltaik-<br />
Zellen stellen <strong>ein</strong>e robuste und zuverlässige<br />
Technologie dar. Ihre Ausbeute bei Kunstlicht<br />
und Innenanwendungen ist jedoch stark limitiert<br />
[5]. Zudem sind stabile Pufferungsstrategien nötig,<br />
um beispielsweise Tag-Nacht-Zyklen zu überbrücken.<br />
56<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
Kinetische Energie durch mechanische Bewegung<br />
(wie Vibrationen, fließende Medien): Verschiedene<br />
Wandlermechanismen basierend auf<br />
elektromagnetischen, piezoelektrischen oder kapazitiven<br />
Effekten stellen elektrische Energie<br />
bereit [6].<br />
Thermische Energie: Thermoelektrische Generatoren<br />
wandeln thermische Gradienten und <strong>ein</strong>en damit<br />
verbundenen Wärmestrom in elektrische Energie<br />
um. Neue Halbleitermaterialkombinationen erlauben<br />
deutlich verbesserte Wirkungsgrade [7].<br />
Konventionelle thermoelektrische Generatoren haben<br />
Abmessungen von <strong>ein</strong>igen Quadratzentimetern. Dadurch<br />
wird ihre Handhabung vor allem für die Anwendung in<br />
kl<strong>ein</strong>en Bauformen sehr ungünstig. Gleichzeitig liefern<br />
sie relativ geringe Ausgangsspannungen, was <strong>ein</strong>e Herausforderung<br />
für das nötige Powermanagement ist. Neuartige<br />
mikro-thermoelektrische Generatoren bieten hierzu<br />
bessere Möglichkeiten.<br />
Das waferbasierte Fertigungsverfahren zur Herstellung<br />
dieser miniaturisierten thermoelektrischen Bauelemente<br />
wurde am Fraunhofer Institut IPM im Auftrag<br />
von Infineon zur Herstellung kl<strong>ein</strong>er Peltier-Kühler<br />
entwickelt und in den letzten drei Jahren unter Einsatz<br />
von Standardmethoden der Halbleiterproduktion durch<br />
Micropelt im Hinblick auf Energy-Harvesting-Anwendungen<br />
perfektioniert. Die Produktionsmethode berücksichtigt<br />
die neuesten Erkenntnisse über die Herstellung<br />
hocheffektiver thermoelektrischer Dünnschichten<br />
und ermöglicht gleichzeitig <strong>ein</strong>e kostengünstige Hochvolumen-Fertigung<br />
analog zu anderen bekannten Halbleiterproduktionen<br />
[8].<br />
Gemäß der seit fast 200 Jahren bekannten Seebeck-<br />
Formel ist die Ausgangspannung U TEG<br />
<strong>ein</strong>es thermoelektrischen<br />
Generators abhängig von der Temperaturdifferenz<br />
ΔT über dem Bauteil, dem Materialparameter S<br />
(typischerweise 260 µV/K) sowie der Anzahl der elektrisch<br />
in Reihe geschalteten thermoelektrischen Strukturen<br />
(Thermopaare) N:<br />
U TEG<br />
= N * S * ΔT<br />
(1) (Spannung <strong>ein</strong>es Thermogenerators)<br />
Hohe, also elektronisch gut verwertbare Spannungen<br />
in der Größenordnung von <strong>ein</strong>em Volt oder mehr, sind<br />
daher bei kl<strong>ein</strong>en Temperaturdifferenzen nur mit Hunderten<br />
solcher Thermopaare realisierbar (Parameter ‚N’<br />
in Formel 1), wie es bei den Mikro-Thermogeneratoren<br />
der Fall ist. Ein solcher Generator mit der Grundfläche<br />
von weniger als 15 mm² erzeugt daher bei <strong>ein</strong>er anliegenden<br />
Temperaturdifferenz von nur 10 K Ausgangsspannungen<br />
von 1,4 Volt und <strong>ein</strong>e elektrische Leistungsdichte<br />
von 20 mW pro cm 2 – bei Temperaturdifferenzen<br />
oberhalb 100 K sind Leistungsdichten von<br />
mehreren Watt pro cm² erzielbar. Dabei liefern die<br />
Elemente <strong>ein</strong>e im Vergleich zu konventionellen Thermogeneratoren<br />
herkömmlicher Bauweise um mehr als<br />
150-mal höhere Ausgangsspannung bei <strong>ein</strong>em gleichzeitig<br />
100-mal geringeren Einsatz von thermoelektrischem<br />
Material.<br />
Dieser Effekt beruht auf den zwei Kernelementen der<br />
neuen Technologie: Einerseits wurden Verfahren entwickelt,<br />
um über Sputter-Prozesse thermoelektrisch aktive<br />
Materialien als Halbleiter-Dünnschichten mit hoher<br />
Wandlungseffizienz auf Wafern abzuscheiden. Andererseits<br />
stehen heute Prozesse zur Verfügung, um diese<br />
Dünnschichten so zu strukturieren, dass <strong>ein</strong>e große Anzahl<br />
thermoelektrischer Mikro-Strukturen mit Abmessungen<br />
von <strong>ein</strong>igen 10 µm in <strong>ein</strong>er elektrischen Reihenschaltung<br />
zuverlässig mit<strong>ein</strong>ander verbunden werden<br />
können. Die gegenüber konventioneller Thermoelektrik<br />
um bis zu 100-fach kl<strong>ein</strong>eren internen Strukturen ermöglichen<br />
schlussendlich die Herstellung miniaturisierter<br />
thermoelektrischer Bauelemente mit sehr hoher Energiedichte<br />
(siehe Bild 2).<br />
2.2 Low-Power-Design und drahtlose Kommunikation<br />
Konventionelle Zweidrahtgeräte sind darauf ausgelegt,<br />
sich selbst aus der Stromschleife mit Energie zu versorgen.<br />
Es ergeben sich typische Leistungsverbräuche von<br />
<strong>ein</strong>igen 10 mW. Durch die Verwendung von Energie<strong>ein</strong>sparungstechniken<br />
ist es bei der hier präsentierten funkbasierten<br />
Lösung gelungen, den Energieverbrauch des<br />
Systems für typische industrielle Anwendungsfälle in die<br />
Größenordnung von nur wenigen Milliwatt zu bringen.<br />
Durch die Energie<strong>ein</strong>sparung in den Verbrauchern<br />
wurde auch die Elektronik zur Energieversorgung vor<br />
neue Herausforderungen gestellt. Niedrige Durchschnittsausgangsströme<br />
mit relativ hohen Spitzenwerten,<br />
geringe Leistungsaufnahme und geringere Verlustleistung<br />
bei der Umsetzung der Spannungswerte sowie<br />
effiziente Umschaltung zwischen verschiedenartigen<br />
Energiequellen (Energy-Harvesting-Quellen, Batterien,<br />
und andere) sind Bedingungen, die gem<strong>ein</strong>sam momentan<br />
von k<strong>ein</strong>er kommerziell erhältlichen Elektronik erfüllt<br />
werden. Insbesondere die Anforderung, dass der<br />
Betrieb des Gerätes auch in Zonen möglich s<strong>ein</strong> soll, die<br />
die Eigensicherheit dort verwendeter Geräte vorschreiben,<br />
machte <strong>ein</strong>e Neuentwicklung notwendig, die alle<br />
Anforderungen des Systems – vor allem Ausfallsicherheit<br />
– über die gesamte industriell relevante Temperaturspanne<br />
(-40 °C bis +85 °C) erfüllt.<br />
3. Energieautarker Temperaturtransmitter<br />
Im Rahmen <strong>ein</strong>es Entwicklungsprojekts wurde <strong>ein</strong> völlig<br />
energieautarker, drahtloser Temperaturtransmitter für die<br />
Prozessinstrumentierung entwickelt.<br />
Um die Akzeptanz des Geräts bei Kunden zu gewährleisten,<br />
wurde auf <strong>ein</strong>e Neuentwicklung des Funkprotokolls<br />
verzichtet und stattdessen auf den WirelessHART-<br />
Standard gesetzt (siehe [1]). Hierdurch werden Aspekte<br />
wie Sicherheit durch Verschlüsselung der Daten, Integration<br />
der Transmitter in Leitsysteme abgedeckt. Der<br />
WirelessHART-Standard schreibt <strong>ein</strong> Zeitmultiplex-Verfahren<br />
(TDMA) vor, welches im Vergleich zu lediglich<br />
energieoptimierten Protokollen <strong>ein</strong>e Abwägung zwi-<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011<br />
57
Hauptbeitrag<br />
BILD 3: Energieautarker<br />
Temperaturtransmitter mit<br />
integrierten Mikro-Thermogeneratoren<br />
BILD 4: Thermische Simulationsergebnisse<br />
der Temperaturverteilung des energieautarken<br />
Temperaturtransmitters<br />
schen dem Energieverbrauch, aus dem die Lebenszeit der<br />
Geräte folgt, und den Anwenderanforderungen an Verfügbarkeit<br />
und Kompatibilität mit existierenden Anwendungsschichten<br />
trifft. Diese Abwägung be<strong>ein</strong>flusst den<br />
Energieverbrauch der <strong>ein</strong>zelnen Geräte negativ und sorgt<br />
im Vergleich zu eher konzeptionell zu sehenden Forschungsarbeiten<br />
für <strong>ein</strong> ungünstigeres Energieprofil der<br />
Geräte. Andererseits ist sie <strong>ein</strong>e Schlüsselvoraussetzung<br />
für die Verwendbarkeit der Energy-Harvesting-basierten<br />
Transmitter in der Industrie.<br />
Die nötige Energie zur Speisung der Mess- und der<br />
Funkelektronik wird dabei durch komplett im Gerät integrierte<br />
Mikro-Thermogeneratoren gewonnen. Dabei<br />
werden intrinsische Temperaturgradienten ausgenutzt,<br />
die naturgemäß entstehen, wenn der Temperaturtransmitter<br />
in <strong>ein</strong>em im Vergleich zur Umgebungsluft wärmeren<br />
beziehungsweise kälteren Medium installiert<br />
wird. Bei ausreichender Temperaturdifferenz ist dabei<br />
<strong>ein</strong>e generell unbegrenzte Lebensdauer denkbar. Dadurch<br />
eröffnen sich entscheidende Vorteile gegenüber<br />
batteriebasierten Lösungen. Es ist weder zur Kommunikation<br />
noch zur Energieversorgung <strong>ein</strong> Kabel notwendig.<br />
Entscheidend bei der Integration der Mikro-Thermogeneratoren<br />
ist dabei <strong>ein</strong>e optimale thermische Ankopplung<br />
der Elemente an den Prozess und <strong>ein</strong>e möglichst effektive<br />
Abführung des Wärmestroms an die Umgebung. Dabei<br />
sollten alle Komponenten gegenüber den oft rauen Industriebedingungen<br />
gekapselt s<strong>ein</strong>. Aufgrund der geringen<br />
Baugröße der Mikro-Thermogeneratoren konnten diese<br />
vollständig in <strong>ein</strong> bestehendes Produkt integriert und<br />
gleichzeitig alle industriellen Vorgaben bezüglich der Stabilität<br />
und Eigensicherheit erfüllt werden. Bild 3 zeigt<br />
<strong>ein</strong>en Demonstrator des energieautarken Temperaturtransmitters<br />
während der Entwicklungsphase.<br />
Der Anschraubzapfen des Schutzrohrs, welches in das<br />
heiße oder kalte Prozessmedium hin<strong>ein</strong>ragt und in dessen<br />
Innerem <strong>ein</strong> Temperatursensor (zum Beispiel Pt-100-<br />
oder Thermoelement) <strong>ein</strong>gebracht wird, wurde so modifiziert,<br />
dass <strong>ein</strong>e möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit<br />
erreicht wird. Damit kann nicht nur <strong>ein</strong>e gute thermische<br />
Ankopplung der Thermogeneratoren, sondern<br />
durch den Aufbau auch die notwendige Gesamtfestigkeit<br />
gewährleistet werden.<br />
Um den Wärmestrom über die Thermogeneratoren<br />
möglichst effektiv abzuleiten und so den benötigten Temperaturgradienten<br />
aufrechtzuerhalten, wurde <strong>ein</strong> Kühlkörper<br />
in <strong>ein</strong>em gewissen Abstand vom Prozess positioniert,<br />
der <strong>ein</strong>en störenden Wärmeaustausch mit dem<br />
Prozessgefäß durch Wärmeleitung, Konvektion oder<br />
Strahlung verhindert. Gleichzeitig erlaubt dieses Design<br />
den Einsatz an isolations-ummantelten Prozessen.<br />
3.1. Maximale Energieausbeute<br />
Während der Entwicklung kamen zahlreiche numerische<br />
Simulationen unterstützend zum Einsatz, um die Geometrie,<br />
Anordnung und Materialwahl der verwendeten Bauteile<br />
zu optimieren. Ziel war es, bei gegebener Umge-<br />
58<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
ungs- und Prozesstemperatur <strong>ein</strong>en maximalen Wärmestrom<br />
über die Thermogeneratoren und damit maximale<br />
Energieausbeute zu erzielen. Bild 4 zeigt exemplarisch<br />
die Temperaturverteilung des Temperaturtransmitters bei<br />
<strong>ein</strong>er Prozesstemperatur von 80 °C (rot) und <strong>ein</strong>er Umgebungstemperatur<br />
von 25 °C (blau).<br />
Die experimentelle Charakterisierung der Entwicklung<br />
im Labor bestätigte <strong>ein</strong>e hervorragende Über<strong>ein</strong>stimmung<br />
mit den Simulationsdaten. Bereits ab <strong>ein</strong>er<br />
Temperaturdifferenz von etwa 30 K zwischen Prozess<br />
und Umgebung erlaubt die kontinuierliche Leistungsausbeute<br />
den autarken Betrieb der Mess- und der Funkelektronik.<br />
Bei Temperaturdifferenzen über 30 K wird<br />
von den Generatoren mehr Energie bereitgestellt, als von<br />
dem System benötigt wird.<br />
In Phasen, in denen k<strong>ein</strong>e ausreichende Temperaturdifferenz<br />
zur Verfügung steht (zum Beispiel bei Wartungsarbeiten<br />
oder zyklischen Prozessen), ist es notwendig,<br />
dass <strong>ein</strong> intelligentes Power Management die Energieversorgung<br />
des drahtlosen Feldgerätes absichert. In<br />
den allermeisten Anwendungsfällen in der Prozessindustrie<br />
ist auch dann <strong>ein</strong>e zuverlässige Temperaturinformation<br />
gewünscht, wenn der Prozess gerade nicht die<br />
nötige Temperaturdifferenz liefert. Zur Überbrückung<br />
dieser Situationen gibt es zwei Möglichkeiten:<br />
Das Energy-Harvesting-System wird durch <strong>ein</strong>e nicht<br />
wiederaufladbare Batterie, <strong>ein</strong>e Primärzelle, gestützt.<br />
Handelsübliche industrielle Primärzellen (beispielsweise<br />
Lithium-Thionylchlorid-Batterien) besitzen<br />
<strong>ein</strong>e sehr geringe Selbstentladungsrate (1–2 % pro<br />
Jahr) bei gleichzeitig hoher Lagerfähigkeit. Zudem<br />
erfüllen sie die wichtigsten industriellen Anforderungen<br />
wie beispielsweise den Einsatz in Temperaturbereichen<br />
zwischen -40 °C und +85 °C. Das Power<br />
Management schaltet in diesem Fall automatisch auf<br />
die Primärzelle um, sobald die Temperaturdifferenz<br />
über die Thermogeneratoren zu gering ist und nicht<br />
die nötige Energie bereitgestellt werden kann. Idealerweise<br />
wird dabei nur die fehlende Energiemenge<br />
beigesteuert.<br />
Aufladbare Energiepuffer speichern in Perioden,<br />
während denen <strong>ein</strong> Überschuss an Energie durch<br />
das Energy-Harvesting-System produziert wird, diese<br />
überschüssige Energie. Sie kann später zum Überbrücken<br />
von Zeitspannen mit zu geringer Energiebilanz<br />
verwendet werden. Als Energiespeicher kommen<br />
hierbei klassische Akkumulatoren (beispielsweise<br />
Lithium-Ionen-Akkumulatoren) oder<br />
Super-Kapazitäten in Frage. Klassische Akkumulatoren<br />
erfüllen jedoch meist nicht die harschen industriellen<br />
Anforderungen – vor allem nicht den<br />
Temperaturbereich von ‐40 °C bis 85 °C bei akzeptabler<br />
Selbstentladerate. Alternativ gibt es Festkörper-<br />
Dünnschicht-Energiespeicher, welche durch extrem<br />
hohe Aufladezyklen (8000–10 000 Zyklen) bei gleichzeitig<br />
sehr geringen Selbstentladeraten bestechen.<br />
Sowohl diese neuen Festkörper-Energiepuffer als<br />
auch Super-Kapazitäten besitzen jedoch <strong>ein</strong> relativ<br />
geringes Speichervermögen. Zudem gestaltet sich die<br />
Entwicklung der nötigen Ladeelektronik vor dem<br />
Hintergrund der in vielen Industrien geforderten<br />
Eigensicherheit als sehr herausfordernd, wenn die<br />
Gesamteffizienz des Systems möglichst hoch s<strong>ein</strong><br />
soll, damit die ohnehin sehr geringen Energiemengen<br />
des Energy-Harvesting-Systems bestmöglich<br />
genutzt werden können.<br />
Im Rahmen der Entwicklung des autonomen Temperaturtransmitters<br />
wurden beide Energiepuffer-Möglichkeiten<br />
untersucht, aufgebaut und getestet. In Anbetracht der<br />
harten industriellen Vorgaben bezüglich Eigensicherheit,<br />
Temperaturbereich und Lebensdauer, zeigte die Pufferung<br />
durch Primärzellen das größte Potenzial. Der Energiebedarf<br />
des drahtlosen Transmitters ist durch die konsequente<br />
Low-Power-Optimierung nur noch sehr gering,<br />
sodass das Pufferpotenzial <strong>ein</strong>er Primärzelle <strong>ein</strong>en ausfallsicheren<br />
Betrieb über viele Jahre gewährleisten würde,<br />
selbst wenn der Energiespeicher regelmäßig belastet wird.<br />
3.2 Nachhaltige Technologie<br />
Da Primärbatterien und Akkumulatoren bestenfalls noch<br />
zur Unterstützung oder Pufferung während Phasen zu<br />
geringer Temperaturgradienten benötigt werden, b<strong>ein</strong>haltet<br />
die vorliegende Entwicklung auch <strong>ein</strong>en wichtigen<br />
Umweltaspekt. Eine allgem<strong>ein</strong>e Abschätzung ergibt:<br />
Bei <strong>ein</strong>er Temperaturdifferenz zwischen Prozess und<br />
Umgebung von 50 K würde das bestehende System <strong>ein</strong>e<br />
kontinuierliche Leistungsausbeute von über 10 mW bereitstellen.<br />
Dies ist ausreichend zum Betrieb der allermeisten<br />
funkbasierten Feldgeräte auch mit anderen<br />
Mess aufgaben als Temperaturmessung. Bei <strong>ein</strong>em<br />
24-Stunden-Betrieb entspricht dies in etwa <strong>ein</strong>em Wechsel<br />
von <strong>ein</strong>er herkömmlichen AAA-Batterie jede Woche.<br />
Eine gute Industriebatterie mit größerer Kapazität müsste<br />
etwa jährlich ausgetauscht werden.<br />
In großtechnischen Anlagen mit Hunderten von Feldgeräten<br />
kann somit über den kompletten Lebenszyklus der<br />
Geräte <strong>ein</strong>e beträchtliche Menge an Batterien <strong>ein</strong>gespart<br />
werden. Unter der Annahme, dass in Summe weltweit<br />
1 Million Geräte zum Einsatz kommen, die jeweils <strong>ein</strong>e<br />
Lebensdauer von zehn Jahren aufweisen, der kontinuierliche<br />
Leistungsbedarf durchschnittlich 10 mW beträgt<br />
und jedes Gerät <strong>ein</strong>en jährlichen Batteriewechsel benötigt,<br />
bedeutet die Verwendung von zwei Mikro-Thermogeneratoren<br />
pro Gerät mit quasi unbegrenzter Lebensdauer in<br />
Summe <strong>ein</strong>e CO 2<br />
-Einsparung von etwa 36 500 Tonnen.<br />
Zudem wird im Falle von Lithium-Batterien der Einsatz<br />
und die Entsorgung von etwa 50 Tonnen toxischen Lithiums<br />
vermieden. Dies schont nicht nur Ressourcen, sondern<br />
führt durch die im Vergleich zu ausschließlich batteriebetriebenen<br />
Geräten gesenkten Wartungskosten auch<br />
zu finanziellen Vorteilen für den Anwender.<br />
Bei drahtlosen Sensoren mit größerem Energiebedarf<br />
(beispielsweise Durchflussmesser), bei <strong>ein</strong>er Anwendung<br />
mit deutlich höheren Messraten bis hin zu Echtzeit-Mes-<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011<br />
59
Hauptbeitrag<br />
Autoren<br />
Dr.rer.nat. Marco Ulrich (1978) studierte<br />
Physik an der TH Karlsruhe und der<br />
Universität Uppsala (Schweden) mit dem<br />
Schwerpunkt Festkörperoptik und Elektronen-Spin-Resonanz.<br />
Nach der Promotion<br />
am Deutschen Krebsforschungszentrum<br />
Heidelberg auf dem Gebiet der medizinischen<br />
Diagnostik (Magnet-Resonanz-Spektroskopie)<br />
wechselte er 2007 an das ABB<br />
Forschungszentrum Deutschland. Er ist Principal Scientist in<br />
der Gruppe „Industrial Sensor Technology“ und globaler<br />
Koordinator des Forschungs-Themenschwerpunkts der<br />
Energie-autonomen Geräte und Energy Harvesting.<br />
ABB AG,<br />
Forschungszentrum Deutschland,<br />
Wallstadter Straße 59, D-68526 Ladenburg,<br />
Tel. +49 (0) 6203 71 64 80,<br />
E-Mail: marco.ulrich@de.abb.com<br />
Dr.-Ing. Philipp Nenninger (1976)<br />
studierte Elektrotechnik an der Universität<br />
Karlsruhe (TH) und promovierte dort<br />
2007 über die „Vernetzung sicherheitsrelevanter<br />
Systeme im Kraftfahrzeug“. Seit<br />
2007 arbeitet er am ABB Forschungszentrum<br />
Deutschland als Principal Scientist<br />
und Projektleiter in der Gruppe „Intelligent<br />
Devices“ für die Hardware und<br />
Software <strong>ein</strong>gebetteter Systeme mit besonderem Fokus auf<br />
der Energieoptimierung sowie dem Entwicklungsprozess.<br />
sungen oder gar bei Aktuatoren verschiebt sich diese<br />
Abschätzung entsprechend. Hier sind Energy-Harvesting-Systeme<br />
notwendig, welche signifikant größere Energiemengen<br />
bereitstellen. Denkbar ist daher auch <strong>ein</strong> modularer<br />
Ansatz, welcher es erlaubt, unterschiedliche<br />
Energy-Harvesting-Systeme gleichzeitig zu nutzen (beispielsweise<br />
thermoelektrische Generatoren, Photovoltaikzellen<br />
und kinetische Wandler). Gleichzeitig ist das Batterie-<br />
und damit auch das Kosten-Einsparpotenzial solcher<br />
Anwendungen deutlich höher, da prinzipiell öftere<br />
Batteriewechsel nötig wären.<br />
Fazit<br />
Es wurde erstmals <strong>ein</strong> völlig energieautarker Temperaturtransmitter<br />
entwickelt, bei dem sowohl die Messelektronik<br />
als auch das Funkmodul durch im Gerät voll integrierte<br />
mikro-thermoelektrische Generatoren mit Energie<br />
versorgt werden.<br />
Damit wird <strong>ein</strong> zentrales Problem funkbasierter Feldgeräte<br />
für die Prozessinstrumentierung gelöst: Durch diese<br />
Entwicklung ist gegenüber batteriebasierten Instrumenten<br />
<strong>ein</strong>e deutliche Verlängerung der Lebensdauer der<br />
Geräte bis hin zum unbegrenzten energieautarken Betrieb<br />
unter Beibehaltung des etablierten und akzeptierten<br />
WirelessHART-Funkprotokolls ermöglicht worden.<br />
Manuskript<strong>ein</strong>gang<br />
11.06.2011<br />
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />
ABB AG,<br />
Forschungszentrum Deutschland,<br />
Wallstadter Straße 59, D-68526 Ladenburg,<br />
Tel. +49 (0) 6203 71 62 15, E-Mail:philipp.nenninger@de.abb.com<br />
Dr. Joachim Nurnus (1970) arbeitete von<br />
1997-2006 bei der Fraunhofer Gesellschaft<br />
(Fraunhofer-Institut für Physikalische<br />
Messtechnik in Freiburg). Übergreifende<br />
Themengebiete waren Materialentwicklungen<br />
und Optimierungen von IV–VI- und<br />
V–VI-basierten Schmalband-Halbleitern und<br />
die Herstellung von Quantentrog- und<br />
Übergitterstrukturen aus diesen Materialien.<br />
Weitere wesentliche Arbeiten lagen im Bereich der Entwicklung<br />
thermoelektrischer Dünnschicht-Bauteile und Messtechniken<br />
sowie das Projektmanagement im Rahmen des Micropelt-Projektes.<br />
Seit 2006 ist er Entwicklungsleiter beim Start-up-Unternehmen<br />
Micropelt GmbH. Als Mitglied des Management-Teams ist er<br />
verantwortlich für die Technologieentwicklung und das Projektmanagement<br />
für „DesignIn’s“ bei Kundenprojekten.<br />
Micropelt GmbH,<br />
Emmy-Noether-Str. 2, D-79110 Freiburg,<br />
Tel. +49 (0) 761 15 63 37 33,<br />
E-Mail: joachim.nurnus@micropelt.com<br />
Referenzen<br />
[1] Schwibach, M., Klettner, C.: Praxisbericht: Wireless-<br />
HART im Feldtest, <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> 1-2/2010, S. 54-62<br />
[2] Nenninger, P., Ulrich, M., Kaul, H.: On the Energy<br />
Problem of Wireless Applications in Industrial Automation,<br />
Proceedings of the IFAC Symposium on Telematics<br />
Applications, 218-224, 2010<br />
[3] Spies, P.: Autarke Energieversorgung für drahtlose<br />
Sensoren, automarisieren! 24/2010, S. 24-30<br />
[4] Knight, C., Davidson, J., Behrens, S.: Energy Options for<br />
Wireless Sensor Nodes. Sensors 8, 2008<br />
[5] Müller, M., Wienold, J., Walker, W. D., R<strong>ein</strong>dl, L. M.:<br />
Characterization of indoor photovoltaic devices and light.<br />
Conference Record of the IEEE Photovoltaic Specialists<br />
Conference: 000738-000743, 2009<br />
[6] Mitchelson, P.D., Green, T.C., Yeatman, E.M., Holmes,<br />
A.S.: Architectures for Vibration-Driven Mircopower<br />
Generators. J Micromechanical Systems 13, 2004<br />
[7] Vining, C. B.: Semiconductors are cool. Nature (2001) 413,<br />
(6856): 577-578<br />
[8] Nurnus, J.: Thermoelectric Thin Film Power Generators<br />
– Self-sustaining power supply for smart systems, Proc.<br />
Smart Sensors, Actuators and MEMS IV, vol. 7362 05,<br />
4.-6. May 2009, Dresden<br />
60<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
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Endgeräten oder zum Archivieren.<br />
Gratis für Sie: Das Handbuch der Prozessautomatisierung<br />
Die 4. Aufl age dieses Handbuch vermittelt in stringenter Struktur das essentielle Wissen zur<br />
Planung automatisierungstechnischer Einrichtungen für verfahrenstechnische Anlagen und hat<br />
sich in der Branche als Standardnachschlagewerk etabliert.<br />
Für Qualität und Praxisnähe in der Darstellung steht das Autorenteam von 50 ausgewiesen und<br />
anerkannten Experten auf Ihren Arbeitsfeldern.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> ersch<strong>ein</strong>t in der Oldenbourg Industrieverlag GmbH, Rosenheimerstr. 145, 81671 München<br />
Oldenbourg-Industrieverlag<br />
www.<strong>atp</strong>-online.de<br />
Vorteilsanforderung per Fax: +49 (0) 931 / 4170 - 492 oder im Fensterumschlag <strong>ein</strong>senden<br />
Ja, ich möchte <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> regelmäßig lesen. Bitte schicken Sie mir die Fachpublikation<br />
□ als gedrucktes Heft für € 460,- zzgl. Versand (Deutschland: € 30,- / Ausland: € 35,-) pro Jahr<br />
□ als ePaper (PDF-Datei als Einzellizenz) für € 460,- pro Jahr<br />
Als Dankeschön erhalte ich das „Handbuch der Prozessautomatisierung“ gratis.<br />
Nur wenn ich nicht bis von 8 Wochen vor Bezugsjahresende kündige, verlängert sich der<br />
Bezug um <strong>ein</strong> Jahr.<br />
Die sichere, pünktliche und bequeme Bezahlung per Bankabbuchung wird mit <strong>ein</strong>er <strong>Gut</strong>schrift<br />
von € 20,- auf die erste Jahresrechung belohnt.<br />
Firma/Institution<br />
Vorname/Name des Empfängers<br />
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Land, PLZ, Ort<br />
Telefon<br />
Telefax<br />
Antwort<br />
Leserservice <strong>atp</strong><br />
Postfach 91 61<br />
97091 Würzburg<br />
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Widerrufsrecht: Sie können Ihre Vertragserklärung innerhalb von 14 Tagen ohne Angabe von Gründen in Textform (Brief, Fax, E-Mail) oder durch<br />
Rücksendung der Sache widerrufen. Die Frist beginnt nach Erhalt dieser Belehrung in Textform. Zur Wahrung der Widerrufsfrist genügt die rechtzeitige Datum, Unterschrift<br />
PAATPE0311<br />
Absendung des Widerrufs oder der Sache an den Leserservice <strong>atp</strong>, Postfach 91 61, 97091 Würzburg.<br />
Nutzung personenbezogener Daten: Für die Auftragsabwicklung und zur Pfl ege der laufenden Kommunikation werden personenbezogene Daten erfasst, gespeichert und verarbeitet. Mit dieser Anforderung erkläre ich mich damit <strong>ein</strong>verstanden, dass ich vom<br />
Oldenbourg Industrieverlag oder vom Vulkan-Verlag □ per Post, □ per Telefon, □ per Telefax, □ per E-Mail, □ nicht über interessante Fachangebote informiert und beworben werde. Diese Erklärung kann ich mit Wirkung für die Zukunft jederzeit widerrufen.
impressum / <strong>Vorschau</strong><br />
Impressum<br />
<strong>Vorschau</strong><br />
Verlag:<br />
Oldenbourg Industrieverlag GmbH<br />
Rosenheimer Straße 145<br />
D-81671 München<br />
Telefon + 49 (0) 89 4 50 51-0<br />
Telefax + 49 (0) 89 4 50 51-3 23<br />
www.oldenbourg-industrieverlag.de<br />
Geschäftsführer:<br />
Carsten Augsburger<br />
Jürgen Franke<br />
Hans-Joachim Jauch<br />
Herausgeber:<br />
Dr. V. Huck<br />
Dr. G. Kegel<br />
Dipl.-Ing. H. Kumpfmüller<br />
Dr. N. Kuschnerus<br />
Beirat:<br />
Dr.-Ing. K. D. Bettenhausen<br />
Prof. Dr.-Ing. Ch. Diedrich<br />
Prof. Dr.-Ing. U. Epple<br />
Prof. Dr.-Ing. A. Fay<br />
Prof. Dr.-Ing. M. Felleisen<br />
Prof. Dr.-Ing. G. Frey<br />
Prof. Dr.-Ing. P. Göhner<br />
Dipl.-Ing. Th. Gr<strong>ein</strong><br />
Prof. Dr.-Ing. H. Haehnel<br />
Dr.-Ing. J. Kiesbauer<br />
Dipl.-Ing. R. Marten<br />
Dipl.-Ing. G. Mayr<br />
Dr. J. Nothdurft<br />
Dr.-Ing. J. Papenfort<br />
Dr. A. Wernsdörfer<br />
Dipl.-Ing. D. Westerkamp<br />
Dr. Ch. Zeidler<br />
Organschaft:<br />
Organ der GMA<br />
(VDI/VDE-Gesell schaft Messund<br />
Automatisierungs technik)<br />
und der NAMUR<br />
(Interessen gem<strong>ein</strong>schaft<br />
Automatisierungs technik der<br />
Prozessindustrie).<br />
Redaktion:<br />
Gerd Scholz (verantwortlich)<br />
Telefon + 49 (0) 89 4 50 51-3 44<br />
Telefax + 49 (0) 89 4 50 51-3 23<br />
E-Mail: scholz@oiv.de<br />
Anne Hütter<br />
Telefon + 49 (0) 89 4 50 51-4 18<br />
Telefax + 49 (0) 89 4 50 51-3 23<br />
E-Mail: huetter@oiv.de<br />
Einreichung von Hauptbeiträgen:<br />
Prof. Dr.-Ing. Leon Urbas<br />
(Chefredakteur, verantwortlich<br />
für die Hauptbeiträge)<br />
Technische Universität Dresden<br />
Fakultät Elektrotechnik<br />
und Informationstechnik<br />
Professur für Prozessleittechnik<br />
D-01062 Dresden<br />
Telefon +49 (0) 351 46 33 96 14<br />
E-Mail: urbas@oiv.de<br />
Fachredaktion:<br />
M. Blum<br />
Prof. Dr. J. Jasperneite<br />
Dr. B. Kausler<br />
Dr. N. Kiupel<br />
Dr. W. Morr<br />
I. Rolle<br />
F. Schiller<br />
Bezugsbedingungen:<br />
„<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> – Automatisierungstechnische<br />
Praxis“ ersch<strong>ein</strong>t<br />
monatlich mit <strong>ein</strong>er Doppelausgabe im<br />
Januar/Februar und Juli/August.<br />
Bezugspreise:<br />
Abonnement (Deutschland):<br />
€ 460,– + € 30,– Versand<br />
Abonnement (Ausland):<br />
€ 460,– + € 35,– Versand<br />
Einzelheft: € 55,– + Versand<br />
Die Preise enthalten bei Lieferung<br />
in EU-Staaten die Mehrwertsteuer,<br />
für alle übrigen Länder sind es<br />
Nettopreise. Mitglieder der GMA: 30%<br />
Ermäßigung auf den Heftbezugspreis.<br />
Bestellungen sind jederzeit über den<br />
Leserservice oder jede Buchhandlung<br />
möglich.<br />
Die Kündigungsfrist für Abonnementaufträge<br />
beträgt 8 Wochen zum Bezugsjahresende.<br />
Abonnement-/<br />
Einzelheftbestellung:<br />
Leserservice <strong>atp</strong><br />
Postfach 91 61, D-97091 Würzburg<br />
Telefon + 49 (0) 931 4170-1615<br />
Telefax + 49 (0) 931 4170-492<br />
E-Mail: leserservice@oiv.de<br />
Verantwortlich für<br />
den Anzeigenteil:<br />
Annemarie Scharl-Send<br />
Mediaberatung<br />
sales & communications Medienagentur<br />
Kirchfeldstraße 9, D-82284 Grafrath<br />
Tel. +49 (0) 8144 9 96 95 12<br />
Fax +49 (0) 8144 9 96 95 14<br />
E-Mail: ass@salescomm.de<br />
Anzeigenverwaltung:<br />
Brigitte Krawczyk<br />
Telefon + 49 (0) 89 4 50 51-2 26<br />
Telefax + 49 (0) 89 4 50 51-3 00<br />
E-Mail: krawczyk@oiv.de<br />
Druck:<br />
Druckerei Chmielorz GmbH<br />
Ostring 13<br />
D-65205 Wiesbaden-Nordenstadt<br />
Gedruckt auf chlor- und<br />
säurefreiem Papier.<br />
Die <strong>atp</strong> wurde 1959 als „Regelungstechnische<br />
Praxis – rtp“ gegründet.<br />
© 2011 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 <strong>ein</strong>e Verwertung<br />
ohne Ein willigung des Verlages<br />
strafbar.<br />
ISSN 2190-4111<br />
LeserService<br />
e-Mail: leserservice@oiv.de<br />
Telefon: + 49 (0) 931 4170-1615<br />
Die Ausgabe 11 / 2011 der<br />
ersch<strong>ein</strong>t am 2.11.2011<br />
Mit folgenden Beiträgen:<br />
Software-Agenten für<br />
das Testmanagement<br />
Kompatibilität:<br />
der zentrale Schlüssel<br />
für Nachhaltigkeit<br />
Bedienbilder<br />
auf Knopfdruck<br />
Verfügbarkeitsberechnung von<br />
Automatisierungsnetzwerken<br />
...und vielen weiteren Themen.<br />
Aus aktuellem Anlass können sich die Themen<br />
kurzfristig verändern.<br />
In Ausgabe 5/2011 der <strong>atp</strong> <strong>edition</strong>, auf Seite 25, unten rechts in den<br />
beiden letzten Zeilen findet sich <strong>ein</strong>e fehlerhafte Formel. Richtig<br />
müsste es folgendermaßen heißen:<br />
Da aber gilt<br />
sowie<br />
und<br />
ist, darf in guter Näherung<br />
werden und daher auch …“<br />
rratum<br />
angenommen<br />
62<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10 / 2011
Erreichen Sie die Top-Entscheider<br />
der Automatisierungstechnik.<br />
Sprechen Sie uns an wegen Anzeigenbuchungen<br />
und Fragen zu Ihrer Planung.<br />
Annemarie Scharl-Send: Tel. +49 (0) 8144 9 96 95 12<br />
E-Mail: ass@salescomm.de
<strong>atp</strong> kompakt<br />
Methoden Verfahren Konzepte<br />
Sonderpreise<br />
für<br />
Abonnenten<br />
der <strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
Die Automatisierungstechnik wird durch neue Forschungen und Entwicklungen bestimmt. Damit Ingenieure<br />
fit für ihren Job sind und die entscheidenden Trends in der Automatisierungstechnik schnell zur Hand haben,<br />
legt die Fachpublikation <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> die Buchreihe <strong>atp</strong> kompakt auf. Alle darin enthaltenen Beiträge haben<br />
<strong>ein</strong> wissenschaftliches <strong>Gut</strong>achterverfahren durchlaufen.<br />
Herausgeber Prof. Dr.-Ing. Frank Schiller leitet am Lehrstuhl für Informationstechnik im Maschinenwesen der<br />
TU München das Fachgebiet Automatisierungstechnik.<br />
<strong>atp</strong> kompakt Band 1<br />
Erfolgreiches Engineering – Die wichtigsten Methoden<br />
Diese Ausgabe befasst sich mit den Methoden, Verfahren und Standards, die Sie in den nächsten Jahren im Engineering beschäftigen<br />
werden. Wichtige Kriterien sind die <strong>ein</strong>fache Wiederverwendbarkeit von Komponenten, die Unterstützung durch geeignete Werkzeuge,<br />
die Erhöhung der Flexibilität von Anlagen sowie geeignete Modellierungs- und Gerätebeschreibungssprachen.<br />
1. Auflage 2010, 138 Seiten mit CD-ROM, Broschur, € 79,- • ISBN: 978-3-8356-3210-3<br />
Für Abonnenten<br />
€ 74,-<br />
<strong>atp</strong> kompakt Band 2<br />
Effiziente Kommunikation – Die bedeutendsten Verfahren<br />
Sie bekommen Einblick in die wachsende Bedeutung der industriellen Kommunikation und dem Wandel in der Gerätekommunikation.<br />
Einen Schwerpunkt bildet die Kommunikationstechnik in der Prozessautomatisierung mit deren besonderen Rahmenbedingungen wie<br />
dem Explosionsschutz. Die bedeutendsten Verfahren und Methoden der modernen Kommunikation werden praxisnah veranschaulicht.<br />
1. Auflage 2010, 72 Seiten mit CD-ROM, Broschur, € 59,- • ISBN: 978-3-8356-3212-7<br />
Für Abonnenten<br />
€ 54,-<br />
<strong>atp</strong> kompakt Band 3<br />
Praktische Messtechnik – Die besten Konzepte<br />
Dieser Band vermittelt wertvolles Know-how zu allen Aspekten der praktischen Messtechnik und fokussiert besonders die Prozessmesstechnik.<br />
Lernen Sie die Fortschritte in der Sensortechnik entlang der Technologie-Roadmap kennen und profitieren Sie von erstklassigen<br />
Konzepten zu kostengünstigen und effizienten Lösungen.<br />
1. Auflage 2010, 72 Seiten mit CD-ROM, Broschur, € 59,- • ISBN: 978-3-8356-3213-4<br />
Für Abonnenten<br />
€ 54,-<br />
<strong>atp</strong> kompakt Kollektion (Bände 1-3)<br />
Erfolgreiches Engineering Effiziente Kommunikation Praktische Messtechnik<br />
Mit dieser dreibändigen Kollektion zu den Themen Engineering, Kommunikation und Messtechnik erhalten Sie <strong>ein</strong> nützliches,<br />
kompakt und praxisnah aufbereitetes Kompendium zu den Kernthemen der Automatisierungstechnik. Die wertvolle Grundlage<br />
für Ihre tägliche und zukünftige Arbeit.<br />
1. Auflage 2010, ca. 282 Seiten mit CD-ROM, Broschur • € 179,- • ISBN: 978-3-8356-3221-9<br />
Für Abonnenten<br />
€ 169,-<br />
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