atp edition Energie sparen in geregelten Pumpensystemen (Vorschau)
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9 / 2013<br />
55. Jahrgang B3654<br />
DIV Deutscher Industrieverlag GmbH<br />
Automatisierungstechnische Praxis<br />
<strong>Energie</strong> <strong>sparen</strong> <strong>in</strong> <strong>geregelten</strong><br />
<strong>Pumpensystemen</strong> | 26<br />
Standardprofile für<br />
elektrische Geräte | 34<br />
Bewertung <strong>in</strong>dustrieller<br />
Funklösungen | 44<br />
Smart Meter Gateway als<br />
Vorbild für die Automation | 58
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> – die Referenzklasse<br />
der Automatisierungstechnik
EDITORIAL<br />
Wertschöpfende Innovationen<br />
flächendeckend umsetzen<br />
E<strong>in</strong>e hohe Innovationsfähigkeit ist existenziell für die Prozess<strong>in</strong>dustrie <strong>in</strong><br />
Deutschland. Dies betrifft nicht nur das Kerngeschäft der verfahrenstechnischen<br />
und chemischen Prozesse, sondern auch die unterstützenden Gewerke. Die Automatisierungstechnik<br />
als wesentlicher Enabler für Operational Excellence muss<br />
selbst e<strong>in</strong>e führende Rolle als Innovationstreiber übernehmen.<br />
Die größte Herausforderung besteht allerd<strong>in</strong>gs dar<strong>in</strong>, Innovationen flächendeckend<br />
umzusetzen. Denn aufgrund der langen Lebensdauer e<strong>in</strong>er verfahrenstechnischen<br />
Anlage f<strong>in</strong>den wir <strong>in</strong> der Regel e<strong>in</strong>e heterogene Landschaft verschiedener<br />
Automatisierungsgrade und -systeme unterschiedlicher Generationen und Releases<br />
vor. Betreiber meiden E<strong>in</strong>griffe <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e laufende Anlage, sodass nur die kurzen<br />
Abstellzeiten beispielsweise für Upgrades genutzt werden können. Selbst etablierte<br />
Technologien erfahren ke<strong>in</strong>en homogenen Durchdr<strong>in</strong>gungsgrad. So gibt es auch<br />
heute noch pneumatische Mess-und Regelungstechnik.<br />
Die Basis für die Implementierung e<strong>in</strong>er neuen Technologie ist somit nicht gegeben<br />
und muss erst durch weitere Investitionen geschaffen werden. Darüber h<strong>in</strong>aus<br />
s<strong>in</strong>d die Betreiber nicht immer bereit, für e<strong>in</strong>en potenziellen Nutzen <strong>in</strong> der Zukunft<br />
die notwendigen personellen Ressourcen zur Implementierung <strong>in</strong>novativer Lösungen<br />
zur Verfügung zu stellen. Die Umsetzungsrate von neuen wertschöpfenden<br />
Technologien könnte also höher se<strong>in</strong>.<br />
Auf der anderen Seite steht der Automatisierer e<strong>in</strong>em Innovations-Tsunami gegenüber.<br />
Getrieben durch die IT- und Consumer-Elektronik werden auch <strong>in</strong> der<br />
Automatisierung unzählige Innovationen als Produkte <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em sehr frühen Stadium<br />
<strong>in</strong> den Markt gedrängt, teils von neuen unbekannten Lieferanten. Für den<br />
Anwender stellt sich die Frage: Welcher Trend und welches Produkt bedeutet wirklichen<br />
Mehrwert für den <strong>in</strong>ternen Kunden, und welcher Lieferant wird sich langfristig<br />
am Markt behaupten können? Daneben gilt es, mögliche unerwünschte Folgen<br />
abzuschätzen, wie die kurzen Migrationszyklen durch Standard-IT-Komponenten.<br />
Der Betreiber erwartet Investitionssicherheit und verlässlich abgeschätzte<br />
Folgekosten. Auch die Automation Security wird immer drängender und die Lösungen<br />
müssen den hohen Sicherheits- und Verfügbarkeitsanforderungen <strong>in</strong> der<br />
Prozess<strong>in</strong>dustrie genügen. Es bedarf also e<strong>in</strong>es umfassenden Selektions- und Validierungsprozesses,<br />
der die Umsetzungsgeschw<strong>in</strong>digkeit hemmt.<br />
Um diesen Herausforderungen und speziellen Randbed<strong>in</strong>gungen zu begegnen,<br />
benötigt die Prozess<strong>in</strong>dustrie e<strong>in</strong>e eigene, hohe Beurteilungs- und Implementierungskompetenz.<br />
Nur damit wird es gel<strong>in</strong>gen, auf die richtigen Technologien und<br />
Lieferanten zu setzen und die Umsetzung effizient beim Betreiber zu realisieren.<br />
Diese Kompetenz hilft auch dabei, mit den Lieferanten die Herausforderungen zu<br />
def<strong>in</strong>ieren, die mit neuen Innovationen gelöst werden könnten – und nicht die<br />
Herausforderungen zu f<strong>in</strong>den, die zu angebotenen Innovationen passen. Natürlich<br />
ist die Standardisierung gerade der Schnittstellen zwischen Komponenten e<strong>in</strong><br />
wichtiges Element für langlebige und abwärtskompatible Lösungen. Auch die Namur<br />
und Hochschulen könnten an dieser Stelle e<strong>in</strong>e wichtige Rolle spielen, noch<br />
stärker die wirklichen Bedarfe und Randbed<strong>in</strong>gungen für <strong>in</strong>novative Lösungen zu<br />
formulieren. Gerade bei der Umsetzung von Innovationen ist Effizienz und Effektivität<br />
gefragt, um kurz- und langfristig die Wettbewerbsfähigkeit zu sichern.<br />
DR. ANDREAS<br />
WERNSDÖRFER,<br />
BASF SE, Leiter Automatisierung<br />
und Elektrotechnik<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013<br />
3
INHALT 9 / 2013<br />
FORSCHUNG<br />
6 | Dreifacherfolg für Deutsche Studenten<br />
beim <strong>in</strong>ternationalen Wettbewerb iCan 2013<br />
3D-Technologien stärker für Prozesstechnik nutzen<br />
Call for <strong>atp</strong> experts – Thema: Advanced Process Control<br />
7 | Hochschule Harz will Geschw<strong>in</strong>digkeitsrekord<br />
VERBAND<br />
8 | GMA richtet Weltkongress der Regelungstechnik <strong>in</strong> Berl<strong>in</strong> aus –<br />
mehr als 2 500 Experten erwartet<br />
NE 138: Prozessleittechnik und Explosionsschutz<br />
Ausfallmechanismen <strong>in</strong> der Elektronik beherrschen<br />
9 | Neue Fachgruppe „Vernetzte Sicherheit“<br />
Cenelec: DKE-Experte ist Vizepräsident Technik<br />
BRANCHE<br />
10 | Der Markt für Automatisierungstechnik<br />
<strong>in</strong> der Stromversorgung wächst weiter<br />
Richtl<strong>in</strong>ie zur IT-Security <strong>in</strong> der <strong>in</strong>dustriellen Automation:<br />
Anwendungsbeispiel LDPE-Anlage<br />
VDI 3694: Lasten- und Pflichtenheft für den E<strong>in</strong>satz<br />
von Automatisierungssystemen<br />
11 | Großaufträge verschaffen den Bestellungen<br />
<strong>in</strong> der Elektro<strong>in</strong>dustrie e<strong>in</strong> deutliches Plus<br />
INTERVIEW<br />
12 | „Ich weiß jetzt, wie ich mich bei e<strong>in</strong>em<br />
Vorstellungsgespräch verhalten muss“<br />
GRISHMA RAJ PANDEYA, STUDENT DER ELEKTRO- UND COMPUTERTECHNIK<br />
IM ZWEITEN STUDIENJAHR AN DER JACOBS UNIVERSITY BREMEN IM INTERVIEW MIT <strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
4<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
PRAXIS<br />
14 | Offene Architektur ermöglicht<br />
maßgeschneiderte Steuerungssoftware<br />
für die CNC-Masch<strong>in</strong>en<br />
16 | Mit Hilfe additiver Verfahren entstehen<br />
Endprodukte: Potenziale von<br />
Rapid Manufactur<strong>in</strong>g besser nutzen<br />
18 | Roboter simulieren S<strong>in</strong>neswahrnehmungen<br />
für angehende Chirurgen sehr realitätsnah<br />
20 | Teamarbeit von Konstruktion und<br />
Dokumentation garantiert Risikobeurteilung<br />
aus e<strong>in</strong>em Guss<br />
22 | Wireless vom Feld <strong>in</strong> die Welt: Sicher drahtlos<br />
kommunizieren im Automatisierungsumfeld<br />
Produkte,<br />
Systeme<br />
und Service<br />
für die<br />
Prozess<strong>in</strong>dustrie?<br />
Natürlich.<br />
HAUPTBEITRÄGE<br />
26 | <strong>Energie</strong> <strong>sparen</strong> <strong>in</strong> <strong>geregelten</strong><br />
<strong>Pumpensystemen</strong><br />
W. SCHICKETANZ<br />
34 | Standardprofile für elektrische Geräte<br />
J. GREIFENEDER, D. SCHULZ UND P. RODRIGUEZ<br />
44 | Bewertung <strong>in</strong>dustrieller Funklösungen<br />
U. MEIER UND L. RAUCHHAUPT<br />
58 | Smart Meter Gateway als<br />
Vorbild für die Automation<br />
A. SIKORA<br />
System 800xA 5.1 hilft Anlagen<br />
noch effizienter zu betreiben<br />
und die Produktivität und Rentabilität<br />
zu verbessern. Dies wird durch<br />
gesteigerte Bediener-Effizienz,<br />
optimiertes Handl<strong>in</strong>g bei Batch-<br />
Produktion, effizientere Sequenzkonfiguration,<br />
verbesserte<br />
Asset-Verwendung und optimierte<br />
Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g Best Practices erreicht.<br />
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prozessautomatisierung<br />
RUBRIKEN<br />
3 | Editorial<br />
66 | Impressum, <strong>Vorschau</strong><br />
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FORSCHUNG<br />
Dreifacherfolg für Deutsche Studenten beim<br />
<strong>in</strong>ternationalen Wettbewerb iCan 2013<br />
Über e<strong>in</strong>en großen Erfolg können sich die drei Siegerteams<br />
des VDE/BMBF-Wettbewerbs Cosima freuen: Sie<br />
belegten auch die ersten Plätze beim <strong>in</strong>ternationalen Studentenwettbewerb<br />
iCan 2013 <strong>in</strong> Barcelona, der sich rund<br />
um das Thema Mikrosystemtechnik dreht. Dort traten 19<br />
Teams aus Ch<strong>in</strong>a, Taiwan, Japan, S<strong>in</strong>gapur, Hongkong, Neuseeland,<br />
USA, Schweiz und Deutschland vor die <strong>in</strong>ternationale<br />
Jury. Der erste Preis und 2000 US-Dollar g<strong>in</strong>gen an<br />
Franziska Emmerich, Carol<strong>in</strong>e Schultalbert, Florian Bansemer<br />
und Tizian Schneider vom Team Quasimodo der<br />
Universität des Saarlandes. Sie überzeugten mit e<strong>in</strong>em Projekt,<br />
das die Stellung der Wirbelsäule mittels 3-D W<strong>in</strong>kelsensoren<br />
erfasst und zur Rückengesundheit beitragen soll.<br />
Den zweiten Preis und 1000 Dollar erhielten Ye Ji Park,<br />
Simone Rudolph, Johannes Bilz und Tobias Fritzsche von<br />
der TU Darmstadt, die mit e<strong>in</strong>em <strong>in</strong>telligenten Brems- und<br />
Identifikationssystem die Sicherheit von K<strong>in</strong>derwagen erhöhen<br />
wollen. Mit dem Projekt xPanel landeten Sabr<strong>in</strong>a<br />
Lederer, Katja Me<strong>in</strong>el, Tommy Müller, Björn Kretschmar,<br />
Sebastian Stelzner und Michael Schramm von der Westsächsischen<br />
Hochschule Zwickau auf Platz Drei. Sie präsentierten<br />
e<strong>in</strong> <strong>in</strong>telligentes System zur Beleuchtung von<br />
Gehwegen und freuten sich über 500 Dollar Preisgeld.<br />
iCan ist e<strong>in</strong>e ch<strong>in</strong>esische Initiative, die im Rahmen der<br />
<strong>in</strong>ternationalen Tagung Transducers stattf<strong>in</strong>det. Qualifizieren<br />
können sich jeweils die drei Siegerteams der Wettbewerbe<br />
aus den Teilnehmerländern, unter anderem<br />
Deutschland mit dem Wettbewerb Cosima. In diesem<br />
Wettbewerb, den der VDE und das Bundesm<strong>in</strong>isterium für<br />
Bildung und Forschung (BMBF) ausrichten, entwickeln<br />
Studierende der Elektro- und Informationstechnik sowie<br />
Interessierte anderer Fachrichtungen neuartige Anwendungen<br />
für Mikrosysteme.<br />
(gz)<br />
VDE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK<br />
INFORMATIONSTECHNIK E.V.,<br />
Stresemannallee 15, D-60596 Frankfurt am Ma<strong>in</strong>,<br />
Tel. +49 (0) 69 630 80, Internet: www.vde.com<br />
3D-Technologien stärker für Prozesstechnik nutzen<br />
Die 3D-Technologien sollten schneller und <strong>in</strong>tensiver<br />
für die Prozesstechnik genutzt werden. Diese Forderung<br />
erhebt der temporäre Arbeitskreis Virtual Reality &<br />
Laserscann<strong>in</strong>g von Processnet, der geme<strong>in</strong>samen Initiative<br />
von Dechema und VDI-GVC. In e<strong>in</strong>er Stellungnahme<br />
kritisiert der Arbeitskreis, dass der 3D-E<strong>in</strong>satz <strong>in</strong> Deutschland<br />
zu langsam voranschreite. Es bestehe akuter Entwicklungsbedarf<br />
h<strong>in</strong>sichtlich der Entwicklung neutraler offener<br />
Formate und Datenmodelle, beim Datenmanagement,<br />
bei Prozessmodellen und bei Mixed- beziehungsweise<br />
Augmented-Reality-Anwendungen. Noch sei der Entwicklungsrückstand<br />
gegenüber anderen Weltregionen aufhol-<br />
bar. Forschung und Entwicklung <strong>in</strong> Deutschland zeigten<br />
zwar <strong>in</strong> die richtige Richtung. Die Zeit bis zur Markte<strong>in</strong>führung<br />
für <strong>in</strong> der Realität anwendbare Applikationen<br />
oder neutrale Schnittstellen sei aber unbefriedigend. Erforderlich<br />
sei e<strong>in</strong>e „signifikante Erhöhung“ der Anzahl<br />
der Forschungsprojekte und ihre Beschleunigung. (gz)<br />
DECHEMA, GESELLSCHAFT FÜR CHEMISCHE<br />
TECHNIK UND BIOTECHNOLOGIE E.V.,<br />
Theodor-Heuss Allee 25,<br />
D-60486 Frankfurt am Ma<strong>in</strong>,<br />
Tel. +49 (0) 69 756 40, Internet: www.dechema.de<br />
Call for <strong>atp</strong> experts – Thema: Advanced Process Control<br />
DIE AUSGABE 56(3) DER ATP EDITION im<br />
März 2014 stellt praxisrelevante Ansätze<br />
zur effizienten Prozessführung und -überwachung<br />
vor. Steigende Anforderungen an<br />
Wirtschaftlichkeit und Sicherheit stellen<br />
auch höhere Anforderungen an die Ausführung<br />
der Regelungstechnik. Bereits über<br />
die Überwachung und Optimierung bestehender<br />
Basisregelkreise durch Reglermanagementsysteme<br />
kann erhebliches Potential<br />
gehoben werden.<br />
Wo dies nicht ausreicht, s<strong>in</strong>d höhere Regelund<br />
Optimierungsverfahren gefragt. Hier<br />
liegen die Herausforderungen <strong>in</strong> der Integration<br />
dieser modernen Verfahren <strong>in</strong> Automatisierungs-<br />
und Prozessleitsysteme, im<br />
nachhaltigen Transfer <strong>in</strong> die Betriebe, der<br />
effizienten Anpassung an unterschiedliche<br />
Betriebsbed<strong>in</strong>gungen und der Pflege sowie<br />
der Nachführung bei Anlagenänderungen.<br />
Wir bitten Sie bis zum 15. Oktober zu diesem<br />
Themenschwerpunkt e<strong>in</strong>en gemäß der<br />
Autorenrichtl<strong>in</strong>ien der <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> ausgearbeiteten<br />
Hauptbeitrag per E-Mail an urbas@di-verlag.de<br />
e<strong>in</strong>zureichen.<br />
Die <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> ist die hochwertige Monatspublikation<br />
für Fach- und Führungskräfte der<br />
Automatisierungsbranche. In den Hauptbeiträgen<br />
werden die Themen mit hohem wissenschaftlichem<br />
und technischem Anspruch<br />
und vergleichsweise abstrakt dargestellt.<br />
Alle Beiträge werden von e<strong>in</strong>em Fachgremium<br />
begutachtet. Sollten Sie sich selbst aktiv<br />
an dem Begutachtungsprozess beteiligen<br />
wollen, bitten wir um kurze Rückmeldung.<br />
Für weitere Rückfragen stehen wir Ihnen<br />
selbstverständlich gern zur Verfügung.<br />
Ihre Redaktion der <strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Leon Urbas,<br />
Anne Purschwitz, Aljona Hartstock<br />
CALL FOR<br />
Aufruf zur Beitragse<strong>in</strong>reichung<br />
Thema: Advanced Process Control<br />
Kontakt: urbas@di-verlag.de<br />
Term<strong>in</strong>: 15. Oktober 2013<br />
6<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
Hochschule Harz will<br />
Geschw<strong>in</strong>digkeitsrekord<br />
WELTREKORD ANGEPEILT: Dipl.-Ing. Mladen Joncic,<br />
Dr. Matthias Haupt, Student<strong>in</strong> Sabr<strong>in</strong>a Hoppstock<br />
und Prof. Dr. Ulrich Fischer-Hirchert (v.l.n.r.) vom<br />
Fachbereich Auto matisierung und Informatik der<br />
Hochschule Harz erwarten e<strong>in</strong>en Geschw<strong>in</strong>digkeitsweltrekord<br />
bei der Datenübertragung. Bild: HS Harz<br />
Beim „International Students and Young Scientists<br />
Workshop“ des IEEE (Institute of Electrical and Electronics<br />
Eng<strong>in</strong>eers) <strong>in</strong> der sächsischen Oberlausitz zeigten<br />
Nachwuchswissenschaftler der Hochschule Harz <strong>in</strong>novative<br />
Entwicklungen des Photonic Communications Lab.<br />
Den Höhepunkt bildete die Präsentation von Mladen Joncic,<br />
der neueste Forschungsergebnisse im Bereich der hochbitratigen<br />
Datenübertragung mittels Kunststofflichtwellenleiter<br />
vorstellte. Ihm gelang es, e<strong>in</strong> Bauteil im Labormaßstab<br />
zu entwickeln, das mit sehr ger<strong>in</strong>gen Verlusten die<br />
Anwendung des Wellenlängenmultiplexverfahrens für<br />
vier Farben durch sichtbare Halbleiter-Laser ermöglicht.<br />
Diese Ergebnisse s<strong>in</strong>d <strong>in</strong>nerhalb des Verbundprojektes<br />
Hope (Hochgeschw<strong>in</strong>digkeitsnetze über optische Polymerfasern)<br />
an der Hochschule Harz entstanden.<br />
Projektleiter Dr. Matthias Haupt zeigte sich begeistert:<br />
„Unser Ziel ist es, <strong>in</strong> Zukunft Datenraten über 10 Gbit/s<br />
zu erreichen. Trotz des frühen Stadiums ist das vorgestellte<br />
Projekt so vielversprechend und wohl weltweit<br />
e<strong>in</strong>malig, dass wir damit rechnen, e<strong>in</strong>en neuen Geschw<strong>in</strong>digkeitsrekord<br />
für Kunststofflichtwellenleiter aufzustellen.“<br />
Der Ingenieur erklärte auch H<strong>in</strong>tergründe und<br />
Anwendungsbereiche: „Solche Projekte br<strong>in</strong>gen überall<br />
dort Nutzen, wo hohe Datenraten gebraucht werden und<br />
nur kurze Entfernungen zu überbrücken s<strong>in</strong>d.“<br />
Bei dem IEEE-Workshop stellte die Hochschule Harz als<br />
e<strong>in</strong>zige Fachhochschule eigene Beiträge vor und war mit<br />
<strong>in</strong>sgesamt fünf Präsentationen durch das Photonic Communications<br />
Lab überdurchschnittlich stark vertreten. Bei<br />
der Veranstaltung, die von Instituten der TU Dresden und<br />
der TU Wroclaw organisiert und durchgeführt wurde,<br />
trafen sich über 40 junge Wissenschaftler aus Europa, die<br />
unter dem Titel „Photonics and Microsystems“ über neueste<br />
Entwicklungen im Bereich der optischen Technologien,<br />
der Informations- und Kommunikationstechnik sowie<br />
der Mikrosysteme diskutierten. <br />
(gz)<br />
HOCHSCHULE HARZ,<br />
Friedrichstr. 57-59, D-38855 Wernigerode,<br />
Tel.+49 (0) 3943 65 90, Internet: www.hs-harz.de
VERBAND<br />
GMA richtet Weltkongress der Regelungstechnik<br />
<strong>in</strong> Berl<strong>in</strong> aus – mehr als 2 500 Experten erwartet<br />
Der 21. Weltkongress der Regelungs- und Automatisie<br />
rungstechnik wird im Jahr 2020 <strong>in</strong> Berl<strong>in</strong> stattf<strong>in</strong>den.<br />
So entschied das Council der International Federation of<br />
Automatic Control (IFAC) Ende Juli <strong>in</strong> Zürich. Dabei<br />
setzte sich Deutschland mit der VDI/VDE-Gesellschaft<br />
Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) <strong>in</strong> der End<br />
DAS DEUTSCHE TEAM freute sich nach der Entscheidung <strong>in</strong> Zürich über<br />
den Zuschlag für den Weltkongress: Prof. Detlef Zühlke, Prof. Sandra Hirche,<br />
Prof. Ulrich Jumar, Prof. Frank Allgöwer, Prof. Stefan Kowalewski, Prof. Lars<br />
Grüne, Prof. Rolf F<strong>in</strong>deisen, Prof. Birgit Vogel-Heuser, Dieter Westerkamp,<br />
Prof. Jörg Raisch, Prof. Thomas Meurer (v.l.n.r). Bild: GMA<br />
ausscheidung gegen Japan und die USA durch. Im Juli<br />
2020 werden <strong>in</strong> Berl<strong>in</strong> über 2500 Experten der Regelungsund<br />
Automatisierungstechnik aus aller Welt erwartet.<br />
„Dies ist e<strong>in</strong> gutes Zeichen für die Forschung, die Leh<br />
re und die Industrie der Regelungs- und Automatisie<br />
rungstechnik <strong>in</strong> Deutschland“, so Dieter Westerkamp. Der<br />
GMA-Geschäftsführer ergänzt: Diese Veranstaltung „ist<br />
e<strong>in</strong> wenig als ‚Weltmeisterschaft‘ unserer Fachdiszipl<strong>in</strong><br />
anzusehen, die <strong>in</strong> sieben Jahren <strong>in</strong> Deutschland ausgetra<br />
gen wird – das wird unser Fachgebiet und unsere Com<br />
munity sicher fördern.“<br />
Damit wird der Weltkongress zum zweiten Mal nach<br />
1987 <strong>in</strong> Deutschland ausgetragen. Damals kamen rund<br />
1500 Teilnehmer nach München. Bis 2020 werden noch<br />
die Kongresse 2014 <strong>in</strong> Kapstadt (Südafrika) und 2017 <strong>in</strong><br />
Toulouse (Frankreich) stattf<strong>in</strong>den.<br />
Mit der Entscheidung für Berl<strong>in</strong> als Austragungsort<br />
steht auch fest, dass Deutschland von 2017 bis 2020 den<br />
Präsidenten der IFAC stellen wird. Dazu wurde Prof. Dr.-<br />
Ing. Frank Allgöwer (Universität Stuttgart) gewählt, der<br />
Deutschland bereits seit längerer Zeit im höchsten Gre<br />
mium der IFAC vertritt.<br />
(gz)<br />
VDI/VDE-GESELLSCHAFT MESS- UND<br />
AUTOMATISIERUNGSTECHNIK (GMA)<br />
VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE E.V.,<br />
VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,<br />
Tel. +49 (0) 211 621 40, Internet: www.vdi.de<br />
NE 138: Prozessleittechnik und Explosionsschutz<br />
Neben dem durch gerätespezifische Normen zum Explo<br />
sionsschutz <strong>geregelten</strong> Bereich werden Explosions<br />
schutz-Maßnahmen auch mit Mitteln der Prozessleittech<br />
nik erreicht oder überwacht. Die neue Namur-Empfehlung<br />
NE 138 beschreibt Anforderungen an PLT-E<strong>in</strong>richtungen<br />
zur Realisierung von Explosionsschutzmaßnahmen. Sie<br />
baut auf die Gefährdungsbeurteilung zum Explosions<br />
schutz auf Basis der entsprechenden Technischen Regeln<br />
zur Betriebssicherheit auf. Die Beispiele <strong>in</strong> NE 138 zielen<br />
darauf, neben SIL-bewerteten Maßnahmen auch andere<br />
bewährte Verfahren zu betrachten. Es wurde Wert darauf<br />
gelegt, dass sich die Beispiele <strong>in</strong> der NE 138 an den Grund<br />
sätzen des zukünftigen Teils 5 der TRBS 2152 orientieren.<br />
NAMUR-GESCHÄFTSSTELLE,<br />
c/o Bayer Technology Services GmbH,<br />
Gebäude K 9, D-51368 Leverkusen,<br />
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Ausfallmechanismen <strong>in</strong> der Elektronik beherrschen<br />
Unerwartetes Verhalten von Embedded Systems kann<br />
erhebliche Auswirkungen auf Menschen und Umwelt<br />
haben. Systematische Entwicklungsfehler, zufällige<br />
Hardwarefehler oder der E<strong>in</strong>satz erprobter elektronischer<br />
Baugruppen <strong>in</strong> neuen Umgebungen mit nicht beachteten<br />
E<strong>in</strong>flussfaktoren können Gründe für den folgenreichen<br />
Ausfall elektronischer Baugruppen se<strong>in</strong>. Die VDIKonfe<br />
VDI-Konfe<br />
renz ‚Smart Systems Reliability‘ am 25. und 26. Septem<br />
ber 2013 <strong>in</strong> Freiburg diskutiert daher neue Möglichkeiten,<br />
um die Zuverlässigkeit und funktionale Sicherheit von<br />
elektronischen Baugruppen zu erhöhen. So wird unter<br />
anderem thematisiert, dass Fachleute nur durch genaue<br />
Kenntnis von Ausfallmechanismen, Fehlerquellen und<br />
E<strong>in</strong>flussfaktoren die Zuverlässigkeit von Smart Systems<br />
bereits beim Design erhöhen und mittels abgestimmter<br />
Teststrategien sicherstellen können. Diskutiert wird auch<br />
die gesetzlich vorgeschriebene und technisch notwen<br />
dige Redundanz bei sicherheitskritischen Systemen. Wei<br />
tere Informationen unter www.vdi.de/reliability. (gz)<br />
VDI WISSENSFORUM GMBH,<br />
VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,<br />
Tel. +49 (0) 211 621 42 01,<br />
Internet: www.vdi-wissensforum.de<br />
8<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
Neue Fachgruppe<br />
„Vernetzte Sicherheit“<br />
Auf der konstituierenden Sitzung<br />
der ZVEI-Fachgruppe ‚Vernetzte<br />
Sicherheit‘ <strong>in</strong> der ZVEI-Arbeitsge<br />
me<strong>in</strong>schaft Errichter und Planer wur<br />
de Norbert Stühmer, Bosch Sicher<br />
heitssysteme, zum Vorsitzenden ge<br />
wählt. Stellvertreter wurde Jochen<br />
Sauer, Axis Communications.<br />
„Die digitale Vernetzung aller si<br />
cherheitstechnischen Gewerke<br />
nimmt rasant zu. Zum E<strong>in</strong>satz kom<br />
men <strong>in</strong>sbesondere Komponenten aus<br />
der IT-Technik und immer mehr Soft<br />
ware. Wir werden deshalb Informati<br />
onen und Hilfestellungen zur e<strong>in</strong><br />
heitlichen Vernetzung von Sicher<br />
heitsanlagen erarbeiten“, erläutert<br />
Stühmer die Ziele der Fachgruppe.<br />
Künftig sollen Schnittstellendef<strong>in</strong>iti<br />
onen, Datenschutz und IT-Sicherheit<br />
sowie rechtliche Rahmenbed<strong>in</strong><br />
gungen und Normen zur Schaffung<br />
von Planungssicherheit im Mittelpunkt der Arbeit stehen.<br />
Die Fachgruppe erwartet veränderte Anforderungen an<br />
das Planen und Errichten von Sicherheitsanlagen, an In<br />
standhaltung sowie Aus- und Weiterbildung. „Errichter<br />
und Planer benötigen künftig wesentlich mehr IT- und<br />
Softwarekenntnisse“, beschreibt Stühmer die Auswir<br />
kungen der Digitalisierung. <br />
(gz)<br />
ZVEI – ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK-<br />
UND ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V.,<br />
Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Ma<strong>in</strong>,<br />
Tel. +49 (0) 69 630 20, Internet: www.zvei.org<br />
NORBERT<br />
STÜHMER will<br />
mit der ZVEI-Fachgruppe<br />
„Vernetzte<br />
Sicherheit“ Informationen<br />
und<br />
Hilfestellungen<br />
zur e<strong>in</strong>heitlichen<br />
Vernetzung von<br />
Sicherheitsanlagen<br />
erarbeiten. Bild: ZVEI<br />
Cenelec: DKE-Experte ist<br />
Vizepräsident Technik<br />
Uwe Kampet, Normungsexperte der DKE Deutsche Kom<br />
mission Elektrotechnik Elektronik Informationstech<br />
nik im DIN und VDE (VDE/DKE), ist zum neuen Vizeprä<br />
sidenten Technik des Europäischen Komitees für Elektro<br />
technische Normung Cenelec gewählt worden. Er tritt zum<br />
1. Januar 2014 die Nachfolge des bisherigen Amts<strong>in</strong>habers<br />
Carlo Masetti aus Italien an.<br />
In se<strong>in</strong>er zweijährigen Amtszeit besteht se<strong>in</strong>e Hauptauf<br />
gabe im Vorsitz des technischen Lenkungsausschusses<br />
(BT) des Cenelec. Uwe Kampet ist bei der BSH Bosch Sie<br />
mens Hausgeräte GmbH tätig und seit 2008 stellvertre<br />
tender Vorsitzender des Technischen Beirats Internationa<br />
le und Nationale Koord<strong>in</strong>ierung der VDE/DKE. (gz)<br />
DKE DEUTSCHE KOMMISSION ELEKTROTECHNIK<br />
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11.03.13 13:51<br />
9 / 2013<br />
9
BRANCHE<br />
Der Markt für Automatisierungstechnik<br />
<strong>in</strong> der Stromversorgung wächst weiter<br />
Die Investitionen der Stromerzeuger <strong>in</strong> Automatisierungstechnik<br />
werden weiter wachsen. Zu diesem<br />
Ergebnis kommt e<strong>in</strong>e aktuelle Marktstudie der ARC Advisory<br />
Group über Automatisierungs- und Software<strong>in</strong>vestitionen<br />
der stromerzeugenden Industrie.<br />
Nach der Krise hätten die Aktivitäten der Stromerzeuger<br />
seit 2010 wieder zugenomen. In den entwickelten<br />
Ländern seien die Investitionen <strong>in</strong> die Modernisierung<br />
der Netze geflossen, während aufstrebende Länder ihre<br />
Stromversorgung ausbauen, Ch<strong>in</strong>a verfolge hier ambitionierte<br />
und langfristige Projekte. H<strong>in</strong>zu komme e<strong>in</strong> Wiederaufleben<br />
der Aktivitäten bei Kraftwerksprojekten,<br />
besonders bei Gas- und Dampfkraftwerken (GuD). In den<br />
entwickelten Ländern wird ARC zufolge der Schwerpunkt<br />
auf der Steigerung der Effizienz und der Reduzierung<br />
der Emissionen liegen. Die Schwellenländer, <strong>in</strong>sbesondere<br />
Ch<strong>in</strong>a, bef<strong>in</strong>den sich im Technologiewechsel von<br />
Kohlekraftwerken zu Kernkraftwerken und regenerativer<br />
Stromerzeugung aus W<strong>in</strong>d- und Sonnenenergie. In<br />
Deutschland und der Schweiz werde <strong>in</strong>folge der Reaktorkatastrophe<br />
<strong>in</strong> Fukushima Kernkraft durch neue GuD-<br />
Kraftwerke und regenerative Stromerzeugung ersetzt.<br />
Die höchsten Wachstumsraten erwartet ARC bei der Stromerzeugung<br />
<strong>in</strong> Asien und Late<strong>in</strong>amerika. Schon 2016 werde<br />
auf Asien e<strong>in</strong> fast ebenso hoher Marktanteil entfallen<br />
wie auf die Emea-Region (Europa, Mittlerer Osten und<br />
Afrika). In Late<strong>in</strong>amerika sei Brasilien der größte Markt für<br />
Automatisierungstechnik. Die Emea-Länder und Nordamerika<br />
dürften bei der Automatisierungstechnik für die<br />
Stromversorgung nur unterduchschnittlich wachsen. (gz)<br />
ARC ADVISORY GROUP,<br />
Boston, USA, 3 Allied Drive, Dedham, MA 02026,<br />
Tel. +1 781 471 11 75, Internet: www.arcweb.com<br />
Richtl<strong>in</strong>ie zur IT-Security <strong>in</strong> der <strong>in</strong>dustriellen<br />
Automation: Anwendungsbeispiel LDPE-Anlage<br />
Seit Juni ist die Richtl<strong>in</strong>ie VDI/VDE 2182 Blatt 3.3 Informationssicherheit<br />
<strong>in</strong> der <strong>in</strong>dustriellen Automatisierung<br />
– Anwendungsbeispiel des Vorgehensmodells <strong>in</strong> der Prozessautomation<br />
für Betreiber – LDPE-Anlage erhältlich.<br />
Das allgeme<strong>in</strong>e Vorgehensmodell der Richtl<strong>in</strong>ie VDI/<br />
VDE 2182 Blatt 1 wird <strong>in</strong> diesem Dokument aus Sicht des<br />
Betreibers mit dem Ziel bearbeitet, die Relevanz von<br />
Blatt 1 und dessen Praktikabilität unter Beweis zu stellen.<br />
Blatt 3.3 beschreibt die <strong>in</strong> der Richtl<strong>in</strong>ie VDI/VDE 2182<br />
Blatt 1 def<strong>in</strong>ierte Vorgehensweise und deren Randbed<strong>in</strong>gungen<br />
aus der Sicht e<strong>in</strong>es Betreibers anhand e<strong>in</strong>er LDPE-<br />
Anlage als konkretem Beispiel. Die Anwendung des Vorgehensmodells<br />
führt zu angemessenen Schutzmaßnah-<br />
men und zur Dokumentation der Security-relevanten Eigenschaften<br />
der LDPE-Anlage. Weitere Blätter beschreiben<br />
die Anwendung des Vorgehensmodells aus VDI/VDE 2182<br />
Blatt 1 sowohl für die Fabrikautomation (VDI/VDE 2182<br />
Blatt 2.1, Blatt 2.2, Blatt 2.3) als auch für die Prozessautomation<br />
(Blatt 3.1 und Blatt 3.2) aus Sicht des Herstellers,<br />
des Integrators/Masch<strong>in</strong>enbauers und des Betreibers. (gz)<br />
VDI/VDE-GESELLSCHAFT MESS- UND<br />
AUTOMATISIERUNGSTECHNIK (GMA)<br />
VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE E.V.,<br />
VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,<br />
Tel. +49 (0) 211 621 40, Internet: www.vdi.de<br />
10<br />
VDI 3694: Lasten- und Pflichtenheft für<br />
den E<strong>in</strong>satz von Automatisierungssystemen<br />
Die Auslegung und Realisierung von Automatisierungssystemen<br />
im Anlagenbau wird aufgrund zunehmender<br />
Anforderungen immer komplexer. Umso wichtiger ist die<br />
genaue Spezifikation des zu realisierenden Automatisierungssystems<br />
im Vorfeld. Hierüber müssen sich Besteller<br />
beziehungsweise Betreiber, Planer und Lieferant sehr genau<br />
abstimmen. Die neue Richtl<strong>in</strong>ie VDI/VDE 3694 stellt<br />
die wesentlichen Aspekte zusammen, die bei Planung,<br />
Realisierung und Betrieb von Automatisierungssystemen<br />
von Bedeutung se<strong>in</strong> können und gibt e<strong>in</strong>en Gliederungsvorschlag<br />
für Lasten- und Pflichtenhefte.<br />
Die technischen und wirtschaftlichen Anforderungen<br />
an das Automatisierungssystem werden <strong>in</strong> der Richtl<strong>in</strong>ie<br />
ebenfalls festgelegt. Die Zusammenarbeit zwischen Betreiber,<br />
Planer und Lieferant wird deutlich vere<strong>in</strong>facht.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013<br />
Mit der VDI/VDE 3694 wird die Investitionssicherheit für<br />
den Betreiber erhöht, da alle möglichen Varianten und<br />
Anforderungen an die Automation bereits im Vorfeld berücksichtigt<br />
und spezifiziert werden.<br />
Die Richtl<strong>in</strong>ie ist als Entwurf beim Beuth Verlag <strong>in</strong> Berl<strong>in</strong><br />
erhältlich. E<strong>in</strong>sprüche s<strong>in</strong>d elektronisch bis 30. September<br />
2013 über das E<strong>in</strong>spruchsportal unter www.vdi.<br />
de/e<strong>in</strong>spruchsportal möglich.<br />
(gz)<br />
VDI/VDE-GESELLSCHAFT MESS- UND<br />
AUTOMATISIERUNGSTECHNIK (GMA)<br />
VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE E.V.,<br />
VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,<br />
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Internet: www.vdi.de
Großaufträge verschaffen den Bestellungen<br />
<strong>in</strong> der Elektro<strong>in</strong>dustrie e<strong>in</strong> deutliches Plus<br />
Stark getrieben durch Großaufträge s<strong>in</strong>d die Bestellungen<br />
<strong>in</strong> der deutschen Elektro<strong>in</strong>dustrie im Juni um<br />
11,7 Prozent gegenüber dem Vorjahr gestiegen, wie der<br />
Branchenverband ZVEI mitteilte. Aus dem Inland g<strong>in</strong>gen<br />
4,3 und aus dem Ausland 17,9 Prozent mehr Aufträge e<strong>in</strong><br />
als vor e<strong>in</strong>em Jahr. Die Bestellungen aus dem Euroraum<br />
legten um 13, die aus Drittländern um 20,5 Prozent zu.<br />
„Aufgrund des kräftigen Zuwachses im Juni bef<strong>in</strong>det<br />
sich nunmehr auch die Gesamtheit der im ersten Halbjahr<br />
2013 e<strong>in</strong>gesammelten Aufträge im Plus“, sagte ZVEI-<br />
Chefvolkswirt Dr. Andreas Gontermann.<br />
So übertrafen die ersten sechs Monate den Vorjahreswert<br />
um 1,6 Prozent. E<strong>in</strong>em Rückgang im Inland um 1,2<br />
steht e<strong>in</strong> Anstieg im Ausland um 4,2 Prozent gegenüber.<br />
Aufträge aus dem Euroraum legten zwischen Januar und<br />
Juni um 0,3 Prozent zu. Aus Ländern außerhalb des Währungsraums<br />
g<strong>in</strong>gen dagegen 6,6 Prozent mehr Bestellungen<br />
e<strong>in</strong>. „Alles <strong>in</strong> allem bleibt der Kurs der Auftragse<strong>in</strong>gänge<br />
von großen Schwankungen geprägt und damit<br />
noch recht undurchsichtig“, so Gontermann. Die preisbere<strong>in</strong>igte<br />
Produktion lag im Juni dieses Jahres 3,3 Prozent<br />
unter dem Vorjahreswert. Kumuliert von Januar bis<br />
Juni sank sie um 4,1 Prozent. Die Erlöse der Elektrounternehmen<br />
beliefen sich im Juni 2013 auf 14,3 Milliarden<br />
Euro (m<strong>in</strong>us 3,4 Prozent gegenüber dem<br />
Vorjahr). Das ergab sich aus e<strong>in</strong>em M<strong>in</strong>us<br />
von 5,2 Prozent im Inland, e<strong>in</strong>em<br />
Rückgang um 10,8 Prozent <strong>in</strong> der Eurozone<br />
und e<strong>in</strong>em Plus von 4,6 Prozent <strong>in</strong><br />
den übrigen Märkten.<br />
Nach zwei Anstiegen <strong>in</strong> den beiden<br />
Vormonaten hat das Geschäftsklima <strong>in</strong><br />
der deutschen Elektro<strong>in</strong>dustrie im Juli<br />
leicht nachgegeben. So bewerten 27<br />
Prozent der Firmen ihre gegenwärtige<br />
Situation als gut, 52 Prozent als stabil<br />
und 21 Prozent als schlecht. Gleichzeitig<br />
gehen 26 Prozent der deutschen<br />
Elektrounternehmen von e<strong>in</strong>er anziehenden<br />
Geschäftstätigkeit <strong>in</strong> den näch-<br />
Bild: ZVEI<br />
sten sechs Monaten aus, 65 Prozent der Firmen rechnen<br />
mit gleichbleibenden Aktivitäten, neun Prozent der Betriebe<br />
erwarten Rückgänge.<br />
(gz)<br />
ZVEI – ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK-<br />
UND ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V.,<br />
Lyoner Straße 9, 60528 Frankfurt am Ma<strong>in</strong>,<br />
Tel. +49 69 630 20, Internet: www.zvei.org<br />
DR. ANDREAS<br />
GONTERMANN:<br />
„Aufgrund des<br />
kräftigen Zuwachses<br />
im Juni bef<strong>in</strong>det sich<br />
nunmehr auch die<br />
Gesamtheit der im<br />
ersten Halbjahr 2013<br />
e<strong>in</strong>gesammelten<br />
Aufträge im Plus.“<br />
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INTERVIEW<br />
„Ich weiß jetzt, wie ich mich<br />
bei e<strong>in</strong>em Vorstellungsgespräch<br />
verhalten muss“<br />
Grishma Raj Pandeya, Student der Elektro- und Computertechnik im zweiten<br />
Studienjahr an der Jacobs University Bremen im Interview mit <strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
Die Jacobs University Bremen bietet geme<strong>in</strong>sam mit der Euro Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g AG e<strong>in</strong> Mentor<strong>in</strong>g-Programm<br />
an, das Studenten den E<strong>in</strong>stieg <strong>in</strong> das Berufsleben erleichtern soll. Mitarbeiter des Unternehmens unterstützen<br />
die Studenten als Mentoren bei der Suche nach dem passenden Beruf, stellen Kontakte zu anderen<br />
Firmen her und geben Tipps zur Bewerbung. Der 22-jährige Nepalese Grishma Raj Pandeya ist e<strong>in</strong>er der<br />
Studenten, die an dem Pilotprojekt teilgenommen haben. In <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> erzählt er von se<strong>in</strong>en Erfahrungen.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Warum haben Sie sich dazu entschieden, <strong>in</strong><br />
Deutschland zu studieren?<br />
PANDEYA: Ich wollte an e<strong>in</strong>er Universität studieren, die<br />
enge Verb<strong>in</strong>dungen zur Industrie und zu Forschungse<strong>in</strong>richtungen<br />
hat. Außerdem haben e<strong>in</strong>ige me<strong>in</strong>er Freunde<br />
bereits an der Jacobs University studiert. Das <strong>in</strong>ternationale<br />
Umfeld und die kle<strong>in</strong>en Klassen haben mir gefallen.<br />
Außerdem hat Deutschland e<strong>in</strong>e vielschichtige Kultur und<br />
Geschichte. Daher schien es mir e<strong>in</strong>e gute Idee, hier zu<br />
studieren und bisher hat Deutschland mich nicht enttäuscht.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Was gefällt beziehungsweise gefällt Ihnen<br />
nicht am deutschen Bildungssystem im Allgeme<strong>in</strong>en und<br />
an Ihrem Studiengang im Besonderen?<br />
PANDEYA: Me<strong>in</strong> Studiengang an der Jacobs University dauert<br />
drei Jahre. Das hat gleichzeitig Vor- und Nachteile: Gut<br />
daran ist, dass ich das Studium früher beenden kann als<br />
me<strong>in</strong>e Freunde, die an amerikanischen Colleges studieren.<br />
Ich kann also sehr früh <strong>in</strong>s Berufsleben e<strong>in</strong>steigen – falls<br />
ich mich dazu entscheide; das ist e<strong>in</strong> Vorteil, denke ich.<br />
Andererseits muss ich die gleichen Inhalte lernen, wie me<strong>in</strong>e<br />
Freunde <strong>in</strong> Amerika, und das <strong>in</strong> drei statt <strong>in</strong> vier Jahren.<br />
Das nimmt viel Kraft und Zeit <strong>in</strong> Anspruch; es bleibt wenig<br />
Freizeit übrig.<br />
Im deutschen Bildungssystem werden Studenten dazu ermutigt,<br />
sich aktiv an der Forschung zu beteiligen. Sie können<br />
aus e<strong>in</strong>er Vielzahl an Praktika <strong>in</strong> Deutschland und <strong>in</strong><br />
ganz Europa wählen. Die Praktika während des Sommers<br />
helfen ihnen dabei, ihre Interessen zu kennen und entsprechende<br />
Berufserfahrung zu sammeln.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: S<strong>in</strong>d Sie der Me<strong>in</strong>ung, dass Ihr Studiengang<br />
ausreichend Praxisbezug hat?<br />
PANDEYA: Parallel zum theoretischen Unterricht haben<br />
wir meistens Computerkurse; das Verhältnis zwischen<br />
Theorie und Praxis ist also ausgeglichen. Man muss bedenken,<br />
dass Ingenieurwesen e<strong>in</strong> sehr großer Bereich ist;<br />
wir können im Studium nicht alles lernen, was wir im späteren<br />
Berufsleben wissen müssen. Stattdessen lehrt uns<br />
die Universität wie wir mit anspruchsvollen Situationen<br />
zurechtkommen.<br />
Me<strong>in</strong>e Kommilitonen absolvieren Praktika <strong>in</strong> unterschiedlichen<br />
Unternehmen und es macht ihnen Spaß. Jeder von<br />
uns arbeitet an verschiedenen Projekten mit. Ich denke<br />
daher, dass wir durchaus Fähigkeiten erwerben, die wir <strong>in</strong><br />
unseren späteren Berufen benötigen werden.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Wie haben Sie von dem Mentor<strong>in</strong>g-Programm<br />
erfahren und warum haben Sie sich dazu entschlossen,<br />
daran teilzunehmen?<br />
PANDEYA: An der Jacobs University haben wir e<strong>in</strong> Career<br />
Service Center (CSC), das uns Studenten <strong>in</strong>formiert über<br />
Karrieremöglichkeiten, Praktikaangebote und über Kooperationen<br />
mit der Industrie wie das Mentor<strong>in</strong>g-Programm.<br />
Durch e<strong>in</strong>e E-Mail des CSC habe ich von dem<br />
Programm erfahren.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Wer ist Ihr Tandem-Partner? Wann hat das<br />
Programm begonnen und wie oft haben Sie sich seitdem<br />
getroffen?<br />
PANDEYA: Me<strong>in</strong> Tandem-Partner ist Frank Soballa (Euro<br />
Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g AG). Das Programm hat im Februar dieses<br />
Jahres begonnen; seitdem haben wir uns vier Mal getroffen.<br />
Da wir beide sehr beschäftigt s<strong>in</strong>d, war es schwierig,<br />
Term<strong>in</strong>e für persönliche Treffen zu vere<strong>in</strong>baren. Wir haben<br />
jedoch regelmäßig Kontakt gehalten über E-Mails und<br />
Videotelefonie.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Wor<strong>in</strong> bestand genau das Mentor<strong>in</strong>g Ihres<br />
Tandem-Partners?<br />
PANDEYA: Bei dem Programmauftakt sagte mir Herr Soballa<br />
zu, mich bei me<strong>in</strong>en Bewerbungen zu unterstützen.<br />
Er sah sich me<strong>in</strong>en Lebenslauf und me<strong>in</strong> Anschreiben an<br />
und gab mir sehr hilfreiche Tipps. Außerdem nahm er<br />
mich mit zu e<strong>in</strong>igen Unternehmen, die mit mir Vorstel-<br />
12<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
GRISHMA RAJ PANDEYA:<br />
„Nach me<strong>in</strong>em<br />
Masterstudium möchte<br />
ich <strong>in</strong> Deutschland<br />
arbeiten.“<br />
und <strong>Energie</strong>systemtechnik beschäftige ich mich mit den<br />
Steuerungssystemen von W<strong>in</strong>dturb<strong>in</strong>en. Im Masterstudium<br />
möchte ich mich dem Entwurf von Steuerungssystemen<br />
widmen. Für mich ist die Arbeit am Fraunhofer-Institut e<strong>in</strong>e<br />
gute Möglichkeit, um praktische Erfahrung auf diesem Gebiet<br />
zu sammeln und um mit leitenden Wissenschaftlern<br />
des Instituts zusammenzuarbeiten.<br />
lungsgespräche zur Übung führten. Das habe ich vorher<br />
noch nie gemacht; es hat mir sehr geholfen. Jetzt weiß<br />
ich, was mich <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em echten Vorstellungsgespräch erwartet<br />
und wie ich mich verhalten muss. Außerdem wurde<br />
ich zur Hannover Messe e<strong>in</strong>geladen. Dort habe ich<br />
Vertreter e<strong>in</strong>iger Unternehmen kennengelernt. Ich konnte<br />
auch Firmen wie Alstom und Volkswagen besuchen.<br />
Me<strong>in</strong> Mentor gab mir e<strong>in</strong>en E<strong>in</strong>blick, wie es ist, <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em<br />
Ingenieurunternehmen zu arbeiten.<br />
Während der Vorlesungszeit b<strong>in</strong> ich sehr beschäftigt und<br />
verlasse den Campus so selten, dass ich genauso gut <strong>in</strong><br />
S<strong>in</strong>gapur oder Berl<strong>in</strong> se<strong>in</strong> könnte; das würde ke<strong>in</strong>en Unterschied<br />
für mich machen. Herr Soballa bestand deshalb<br />
immer darauf, dass ich mehr <strong>in</strong> die deutsche Kultur e<strong>in</strong>tauche<br />
und möglichst viel Deutsch lerne. Ich wurde nach<br />
Braunschweig zu e<strong>in</strong>em Abendessen e<strong>in</strong>geladen. Wir<br />
führten e<strong>in</strong> tolles Gespräch über Fußball, die E<strong>in</strong>tracht<br />
Braunschweig und über die Meisterschaft von 1967.<br />
Ich b<strong>in</strong> sehr zufrieden mit der Erfahrung, die ich beim<br />
Mentor<strong>in</strong>g-Programm gemacht habe. Me<strong>in</strong> Tandem-Partner<br />
und ich schreiben uns immer noch E-Mails und wollen<br />
weiterh<strong>in</strong> Kontakt halten.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Zurzeit machen Sie e<strong>in</strong> Praktikum. Aus welchem<br />
Grund haben Sie sich dazu entschieden? In welchem<br />
Bereich arbeiten Sie?<br />
PANDEYA: Ich <strong>in</strong>teressiere mich sehr für Regelungstechnik.<br />
Als Praktikant am Fraunhofer-Institut für W<strong>in</strong>denergie<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Würden Sie bitte zusammenfassen, <strong>in</strong>wiefern<br />
das Mentor<strong>in</strong>g-Programm Ihnen dabei geholfen hat, sich<br />
darüber klar zu werden, welchen Beruf Sie e<strong>in</strong>mal ausüben<br />
möchten?<br />
PANDEYA: Me<strong>in</strong> Mentor Frank Soballa hat mir dabei geholfen,<br />
<strong>in</strong> Kontakt mit e<strong>in</strong>igen deutschen Unternehmen zu<br />
treten. Ich konnte Übungsgespräche mit den Unternehmen<br />
führen. Dank all dieser Erfahrungen b<strong>in</strong> ich sehr zufrieden<br />
mit me<strong>in</strong>em Mentor.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Wann werden Sie Ihr Studium beenden? Haben<br />
Sie vor, <strong>in</strong> Deutschland zu bleiben oder zieht es Sie <strong>in</strong> e<strong>in</strong><br />
anderes Land?<br />
PANDEYA: Ich werde me<strong>in</strong>en Abschluss im Juni 2014 machen.<br />
Vielleicht gehe ich für me<strong>in</strong>en Master <strong>in</strong> e<strong>in</strong> anderes<br />
Land, das hängt davon ab, wo ich e<strong>in</strong>e Zusage bekomme.<br />
Dennoch möchte ich danach <strong>in</strong> jedem Fall <strong>in</strong> Deutschland<br />
arbeiten.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong>: Wie bewerten Sie das Mentor<strong>in</strong>g-Programm<br />
<strong>in</strong>sgesamt?<br />
PANDEYA: Es war e<strong>in</strong>e tolle Erfahrung; ich habe viel gelernt<br />
und neue Kontakte geknüpft. Fast alle Mentoren<br />
und Mentees haben die kurze Dauer des Pilotprojekts<br />
bedauert. Ich hoffe, dass die Organisatoren dies beim<br />
nächsten Durchlauf ändern. Für mich ist das Programm<br />
jedenfalls e<strong>in</strong>e der prägendsten Erfahrungen an der Jacobs<br />
University.<br />
Die Fragen stellte Aljona Hartstock<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013<br />
13
PRAXIS<br />
Offene Architektur ermöglicht maßgeschneiderte<br />
Steuerungssoftware für die CNC-Masch<strong>in</strong>en<br />
Dank der S<strong>in</strong>umerik 840D sl kann Mubea die Anforderungen des Massentransportmarkts erfüllen<br />
MUBEA SYSTEMS produziert Bearbeitungszentren für lange Alum<strong>in</strong>iumund<br />
Stahlprofilschienen, die <strong>in</strong> Zügen e<strong>in</strong>gesetzt werden. Wichtiges<br />
Know-how steckt <strong>in</strong> der maßgeschneiderten CAD/CAM-Software.<br />
ZUM FRÄSEN der langen Profile setzt<br />
Mubea Systems <strong>in</strong> se<strong>in</strong>en Bearbeitungszentren<br />
auf die offene Steuerungsarchitektur der<br />
S<strong>in</strong>umerik 840D sl. Bilder: Mubea Systems<br />
Mit dem E<strong>in</strong>stieg <strong>in</strong> die Herstellung von Bearbeitungszentren<br />
für die Stahl- und Alum<strong>in</strong>ium-Extrusion<br />
rüstete Mubea Systems die Antriebstechnik mit CNC-<br />
Steuerungen der Solution L<strong>in</strong>e von Siemens auf. Die<br />
wichtigsten Vorteile liegen für Mubea <strong>in</strong> der Offenheit<br />
und Flexibilität der S<strong>in</strong>umerik 840D sl. Dank der offenen<br />
Systemarchitektur kann Mubea se<strong>in</strong>e ganze Kompetenz<br />
<strong>in</strong> für die Kunden maßgeschneiderte CAD/CAM-Software<br />
e<strong>in</strong>br<strong>in</strong>gen.<br />
Mubea Systems S.A., e<strong>in</strong> zur Familie der Haco-Gruppe<br />
zählendes Unternehmen, produziert das komplette Spektrum<br />
an 4- und 5-Achs-CNC-Bearbeitungszentren. E<strong>in</strong>gesetzt<br />
werden diese <strong>in</strong>sbesondere für die verschiedenen<br />
Zerspanungsaufgaben bei langen Alum<strong>in</strong>ium- und Stahlprofilen,<br />
wie sie für Hochgeschw<strong>in</strong>digkeitszüge, Straßenbahnen<br />
und U-Bahnen benötigt werden.<br />
Für die Herstellung ihrer flexiblen und zuverlässigen<br />
CNC-Masch<strong>in</strong>en für die Transport<strong>in</strong>dustrie setzt Mubea<br />
ausschließlich hochwertige Komponenten und Software<br />
e<strong>in</strong>. Zur Produktpalette gehören die 4-Achs-Gantry-Masch<strong>in</strong>e<br />
Alu-Flex, die 5-Achs-C-Rahmen-Masch<strong>in</strong>e<br />
Profile-Flex sowie die 5-Achs-Gantry-Masch<strong>in</strong>e<br />
Multi-Flex. „Ganz oben <strong>in</strong> unserem Produktspektrum<br />
rangiert aber die 5-Achs-Masch<strong>in</strong>e Mega-Flex “, erklärt<br />
Frank Havegeer, Vorstandsvorsitzender von Mubea Systems.<br />
Dabei handelt es sich um e<strong>in</strong>e Profiliermasch<strong>in</strong>e<br />
mit patentierter Doppel-X-Achse, die für höhere Dynamik<br />
und gesteigerte Kapazität sorgt. Dank e<strong>in</strong>er zusätzlichen<br />
vertikalen Doppelspannvorrichtung erfüllt sie<br />
höchste Standards <strong>in</strong> puncto Bearbeitungsgeschw<strong>in</strong>digkeit<br />
und -genauigkeit.<br />
Die Masch<strong>in</strong>e gibt es <strong>in</strong> 30 oder 60 Meter Länge, mit<br />
e<strong>in</strong> oder zwei Fräsköpfen, die e<strong>in</strong>zeln oder zusammen<br />
arbeiten. „Diese Doppelkopflösung bietet noch mehr Flexibilität<br />
und Geschw<strong>in</strong>digkeit, sodass wir den Anforderungen<br />
der Transport<strong>in</strong>dustrie zu 100 Prozent gerecht<br />
werden können – sprich wirtschaftlich und qualitativ<br />
hochwertig produzieren sowie zügig ausliefern können“,<br />
ergänzt Havegeer.<br />
KONTINUITÄT ÜBER DIE GESAMTE ORGANISATION<br />
S<strong>in</strong>umerik 840D sl, ausgestattet mit S<strong>in</strong>amics S120-Antriebstechnik,<br />
ist bei allen Mubea-Masch<strong>in</strong>en die Steuerungslösung<br />
erster Wahl. Nachdem das Unternehmen<br />
bislang die Power L<strong>in</strong>e im E<strong>in</strong>satz hatte, entschied sich<br />
Mubea im Oktober 2012 dafür, auf die Solution L<strong>in</strong>e aufzurüsten.<br />
„Wir s<strong>in</strong>d damals neu <strong>in</strong> das Feld der Stahl- und<br />
Alum<strong>in</strong>ium-Extrusion e<strong>in</strong>gestiegen. Siemens wusste sofort,<br />
worauf es dabei ankam“, er<strong>in</strong>nert sich Havegeer. „Und<br />
auch auf den Support können wir uns immer verlassen.“<br />
Entscheidend für das Upgrade zur Solution L<strong>in</strong>e waren<br />
laut Havegeer die positiven Erfahrungen mit der<br />
S<strong>in</strong>umerik CNC – sowie der Wunsch, mit Hilfe e<strong>in</strong>es<br />
durchgängigen Systems Kont<strong>in</strong>uität und Stabilität über<br />
die gesamte Unternehmensorganisation herzustellen.<br />
„S<strong>in</strong>umerik 840D sl bietet die von unseren Kunden ge-<br />
14<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
Unser<br />
Know-how<br />
für Sie<br />
forderte Genauigkeit, Skalierbarkeit und Performance<br />
<strong>in</strong> e<strong>in</strong>em sehr guten Preis-Leistungs-Verhältnis“,<br />
erklärt Havegeer.<br />
Die E<strong>in</strong>führung des neuen Systems dauerte weniger<br />
als zwei Wochen. Für Dirk Algoet, verantwortlich für<br />
Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g und Automatisierungstechnik bei Mubea,<br />
s<strong>in</strong>d Offenheit und Flexibilität die beiden größten<br />
Stärken von S<strong>in</strong>umerik 840D sl. „Wir liefern unsere<br />
Masch<strong>in</strong>en mit e<strong>in</strong>er maßgeschneiderten CAD/<br />
CAM-Software an den Kunden aus“, erläutert Algoet.<br />
„Diese bietet dynamische Programmiereigenschaften<br />
und ermöglicht es dem Kunden, die Masch<strong>in</strong>en mithilfe<br />
von 3-D-Profilen mühelos zu steuern.“<br />
EINHEITLICHE SCHNITTSTELLE<br />
Durch die offene Systemarchitektur von S<strong>in</strong>umerik<br />
840D sl können das Knowhow und die Fachkompetenz<br />
von Mubea Systems direkt <strong>in</strong> das Endprodukt<br />
e<strong>in</strong>fließen. Das Ergebnis ist e<strong>in</strong>e e<strong>in</strong>heitliche und<br />
nutzerfreundliche Schnittstelle für Bedienung, Programmierung<br />
und Visualisierung. „Dank der systemweiten<br />
Offenheit von S<strong>in</strong>umerik 840D sl können wir<br />
bessere Masch<strong>in</strong>en für unsere Kunden entwickeln“,<br />
resümiert Algoet.<br />
Mubea Systems betreibt Regionalbüros <strong>in</strong> Belgien,<br />
Deutschland, den Vere<strong>in</strong>igten Staaten, Kanada und<br />
Ch<strong>in</strong>a. Das Unternehmen liefert se<strong>in</strong>e Bearbeitungszentren<br />
<strong>in</strong> <strong>in</strong>sgesamt zehn Länder und verzeichnet<br />
e<strong>in</strong>e Exportrate von 99 %. Der weltweite Support ist<br />
für den Masch<strong>in</strong>enhersteller und dessen Kunden deshalb<br />
von größter Wichtigkeit. „Wir haben e<strong>in</strong> hochqualifiziertes<br />
Team, das unsere Kunden weltweit persönlich<br />
betreut, wenn es um kundenspezifische Masch<strong>in</strong>en<br />
und Masch<strong>in</strong>enteile geht“, so Kris Rosseeuw,<br />
Serviceverantwortlicher bei Mubea. „Für alltägliche<br />
technische Belange s<strong>in</strong>d jedoch die Siemens-Serviceverträge<br />
von unschätzbarem Wert.“<br />
AUTOR<br />
STEIN MONSEREZ ist<br />
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PRAXIS<br />
Mit Hilfe additiver Verfahren entstehen Endprodukte:<br />
Potenziale von Rapid Manufactur<strong>in</strong>g besser nutzen<br />
VDI treibt die Verbreitung der neuen Fertigungsverfahren mit Richtl<strong>in</strong>ien und e<strong>in</strong>er Tagung voran<br />
Bauteile, die so hergestellt werden, weisen gute mechanische<br />
Eigenschaften auf und können als f<strong>in</strong>ale Produkte<br />
verwendet werden. Dieses Verfahren heißt dann Rapid<br />
Manufactur<strong>in</strong>g.<br />
MIT DEM STRAHL-<br />
SCHMELZVERFAHREN<br />
lassen sich beispielsweise<br />
M<strong>in</strong>iatursiebe herstellen.<br />
Bild: Gregor Jell Werkzeugelemente<br />
Lange wurden additive Fertigungsverfahren zur Herstellung<br />
von Prototypen e<strong>in</strong>gesetzt (Rapid Prototyp<strong>in</strong>g).<br />
Durch Weiterentwicklung der Fertigungsmethoden<br />
und verbesserte Materialien ist es heute möglich,<br />
stabile Endprodukte herzustellen (Rapid Manufactur<strong>in</strong>g).<br />
Inzwischen haben additive Herstellungsmethoden,<br />
meist unter dem Namen 3D-Druck bekannt, den<br />
Weg <strong>in</strong> den Massenmarkt gefunden. Mit neuen Richtl<strong>in</strong>ien<br />
unterstützt der VDI die Verbreitung dieser Verfahren.<br />
In e<strong>in</strong>er Fachkonferenz im Oktober <strong>in</strong>formiert der<br />
VDI außerdem über das Herstellungsverfahren.<br />
VOM PROTOTYPEN ZUM ENDPRODUKT<br />
Unter „additiv“ werden alle Herstellverfahren zusammengefasst,<br />
bei denen e<strong>in</strong> Bauteil entsteht, <strong>in</strong>dem der<br />
Werkstoff schrittweise h<strong>in</strong>zugefügt wird. Das steht im<br />
Gegensatz zu den klassischen subtraktiven Verfahren<br />
wie Fräsen, Bohren und Drehen, bei denen Material weggenommen<br />
wird, um das endgültige Bauteil zu erzeugen.<br />
Rapid Prototyp<strong>in</strong>g fasst alle additiven Verfahren zusammen,<br />
mit denen Prototypen zur weiteren Begutachtung<br />
hergestellt werden. Beim 3D-Druck beispielsweise<br />
wird e<strong>in</strong> Kunststofffaden, ähnlich wie bei e<strong>in</strong>er Heißklebepistole,<br />
aufgeschmolzen. Das Bauteil wächst dann<br />
zusammen, <strong>in</strong>dem punktgenau e<strong>in</strong>zelne Materialtropfen<br />
Schicht für Schicht dort dosiert werden, wo weiteres<br />
Material für das endgültige Bauteil benötigt wird.<br />
Außer dem 3D-Druck gibt es weitere Konzepte, um<br />
Bauteile additiv herzustellen: Das Ausgangsmaterial<br />
kann pulverisiert und <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er dünnen Schicht auf die<br />
Arbeitsfläche aufgetragen werden. Wenn man es nun<br />
punktgenau mit e<strong>in</strong>em Laser aufschmilzt, wächst das<br />
Material beim Wiedererstarren mit den darunter- und<br />
anliegenden Strukturen zusammen. Wenn e<strong>in</strong>e Schicht<br />
fertig ist, wird der Vorgang wiederholt. Auf diese Weise<br />
entsteht schrittweise das Bauteil.<br />
Der Vorteil des Laser-Verfahrens ist, dass es nicht nur<br />
mit Kunststoffen funktioniert. Wenn Metalle mit diesem<br />
Verfahren verarbeitet werden, spricht man von Strahlschmelzen,<br />
und bei Kunststoffen von Laser-S<strong>in</strong>tern. Die<br />
VDI REGELT RAPID MANUFACTURING<br />
Nachdem der Fachausschuss 105 der VDI-Gesellschaft<br />
Produktion und Logistik (GPL) „Rapid Manufactur<strong>in</strong>g“<br />
im Dezember 2009 <strong>in</strong> der Richtl<strong>in</strong>ie VDI 3404 die grundlegenden<br />
Begriffe und Qualitätskenngrößen festgelegt<br />
hatte, hat der Fachausschuss die Qualifizierung, Qualitätssicherung<br />
und Nachbearbeitung beim Strahlschmelzen<br />
metallischer Bauteile <strong>in</strong> der Richtl<strong>in</strong>ie VDI 3405<br />
Blatt 2 bearbeitet. Die Richtl<strong>in</strong>ie wurde im August 2013<br />
veröffentlicht. Außerdem entstand die Richtl<strong>in</strong>ie 3405<br />
Blatt 1 „Laser-S<strong>in</strong>tern von Kunststoffbauteilen“.<br />
Die guten mechanischen Eigenschaften der mit Strahlschmelzen<br />
oder Laser-S<strong>in</strong>tern hergestellten Bauteile<br />
ermöglichen es, Endprodukte herzustellen. Vor diesem<br />
H<strong>in</strong>tergrund bildete sich aus dem FA 105 heraus der<br />
Richtl<strong>in</strong>ienausschuss FA 105.3 „Konstruktionsempfehlungen“,<br />
der für Konstrukteure e<strong>in</strong>e Richtl<strong>in</strong>ie erarbeitet,<br />
die die Potenziale und die Grenzen dieses Fertigungsverfahrens<br />
beschreibt.<br />
Dies ist nur e<strong>in</strong> Aspekt, der beim Weg vom Prototypen<br />
bis zur Großserie mit additiven Fertigungsverfahren zu<br />
beachten ist. Diesem Thema widmet sich die VDI-Fachkonferenz<br />
„Additive Manufactur<strong>in</strong>g“ am 9. und 10. Oktober<br />
2013. Wer den Nutzen dieses Herstellungsverfahrens<br />
für sich bewerten will, erhält bei der Konferenz die<br />
Möglichkeit, schnell <strong>in</strong> das Thema e<strong>in</strong>zusteigen.<br />
E<strong>in</strong>ige Zweige des produzierenden Gewerbes zeichnen<br />
sich durch hochwertige, <strong>in</strong>dividuelle Produkte aus, die<br />
<strong>in</strong> kle<strong>in</strong>en oder mittleren Stückzahlen produziert werden.<br />
In diesem Segment kann die Nutzung der additiven<br />
Fertigung Vorteile bieten. Daher wird der VDI die weitere<br />
Entwicklung dieser Technologie aktiv begleiten. So hat<br />
der Fachausschuss „Rapid Manufactur<strong>in</strong>g“ die Unterausschüsse<br />
FA 105.1 „Kunststoffe“ und FA 105.2 „Metalle“<br />
gegründet, um die jeweiligen Themen voranzubr<strong>in</strong>gen.<br />
AUTOR<br />
Dr.-Ing. ERIK MARQUARDT<br />
ist verantwortlicher Referent<br />
im Bereich Technik und<br />
Wissenschaft des VDI.<br />
Vere<strong>in</strong> Deutscher<br />
Ingenieure e.V.,<br />
VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf,<br />
Tel. +49 (0) 211 621 43 73,<br />
E-Mail: marquardt@vdi.de<br />
16<br />
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9 / 2013
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Diese Erklärung kann ich mit Wirkung für die Zukunft jederzeit widerrufen.
PRAXIS<br />
Roboter simulieren S<strong>in</strong>neswahrnehmungen für<br />
angehende Chirurgen sehr realitätsnah<br />
Servomotor mit hohem Drehmoment erfüllt Anforderungen der Haptik-Entwickler<br />
n e<strong>in</strong>er zunehmend virtuellen Welt bietet die Fähigkeit<br />
I zum Simulieren von Berührungen buchstäblich spürbare<br />
Vorteile; e<strong>in</strong>em Onl<strong>in</strong>e-Kunden ermöglicht die<br />
Technologie beispielsweise, e<strong>in</strong>en Hemdstoff zu „fühlen“.<br />
Bei der Haptik simulieren Robotiksysteme mit<br />
Feedback- und Steuerungsfunktionen taktile Wahrnehmungen.<br />
Quanser, e<strong>in</strong> Hersteller von Haptikgeräten<br />
produziert beispielsweise fünf- und sechsachsige Roboter,<br />
die realitätsnahe S<strong>in</strong>neswahrnehmungen vermitteln.<br />
Hierfür setzt das Unternehmen Hardware und<br />
Software sowie drehmomentstarke, breitbandige Servomotoren<br />
e<strong>in</strong>.<br />
Quanser begann auf dem Markt für Lehrmittel mit Produkten<br />
wie Simulatoren für die Chirurgie. Die Geräte<br />
erlauben Mediz<strong>in</strong>studenten, E<strong>in</strong>schnitte ohne Leichen<br />
zu üben. „Nach diesem Verfahren kann man den gesamten<br />
Vorgang simulieren und den angehenden Chirurgen<br />
dieselben S<strong>in</strong>neswahrnehmungen vermitteln wie <strong>in</strong> der<br />
chirurgischen Praxis“, erläutert Paul Karam, Leiter Konstruktion<br />
und Entwicklung bei Quanser. „Mehr noch:<br />
Auch die Leistungen, wie viel Kraft die Kandidaten aufgewendet<br />
haben, wie umfangreich die Schnitte waren,<br />
lassen sich quantitativ erfassen.“<br />
Neben anwendungsspezifischen Produkten für Erstausrüster<br />
(OEM)-Kunden baut das Unternehmen allgeme<strong>in</strong>e<br />
Haptiksysteme für die Forschung. Die neueste<br />
Entwicklung ist das High Def<strong>in</strong>ition Haptic Device<br />
(HD2), e<strong>in</strong> Parallelmechanismus mit sechs Freiheitsgraden<br />
(x, y, z, Rollen, Nicken, Gieren), das heißt vone<strong>in</strong>ander<br />
unabhängigen Bewegungsmöglichkeiten. Dieser mechanisch<br />
ausbalancierte, reibungsarme Roboter besteht<br />
aus zwei mite<strong>in</strong>ander gekoppelten Auslegern mit je fünf<br />
Gelenken und kann über e<strong>in</strong>en großen Arbeitsbereich<br />
h<strong>in</strong>weg Bewegungen <strong>in</strong> hoher Auflösung ausführen. Das<br />
HD2 hat e<strong>in</strong>en Roll- (auf der x-Achse) beziehungsweise<br />
Nickbereich (y-Achse) von jeweils +/-90° und e<strong>in</strong>en Gierbereich<br />
(z-Achse) von +/-180°.<br />
ZENTRALES ENTWICKLUNGSZIEL: BERÜHRUNGEN<br />
„Was man auch immer zu simulieren versucht – sei es<br />
nun das Klopfen auf Holz oder Bewegungen bei der Gehirnchirurgie,<br />
die jeweilige Haptik muss def<strong>in</strong>ierte und<br />
gleichmäßige S<strong>in</strong>neswahrnehmungen vermitteln“, so<br />
Karam weiter. „Der Mechanismus muss das bei der Operation<br />
entstehende Gefühl orig<strong>in</strong>algetreu wiedergeben,<br />
sonst nützt er nichts.“<br />
E<strong>in</strong> gutes Haptikgerät zeichnet sich durch ger<strong>in</strong>ge<br />
Reibung und Massenträgheit aus, kann aber zugleich<br />
Kräfte mit e<strong>in</strong>em hohen Dynamikbereich erzeugen, und<br />
das <strong>in</strong>nerhalb e<strong>in</strong>es großen Arbeitsbereichs. Dafür werden<br />
mechatronische Konzepte entwickelt, bei denen vor<br />
dem Prototyp<strong>in</strong>g umfassende Modelle erstellt und getestet<br />
werden. Um beispielsweise das Reaktionsvermögen<br />
des HD2 zu maximieren, ordnete das Entwicklerteam<br />
die Motoren im Gehäuse an und nicht auf dem<br />
Stellgliedarm.<br />
Die für die Leistungsfähigkeit entscheidenden Komponenten<br />
s<strong>in</strong>d die L<strong>in</strong>earstromverstärker. „Damit lassen<br />
DER MECHANISCH AUSBALANCIERTE,<br />
reibungsarme Roboter simuliert mit<br />
ausgeklügelten Feedback- und<br />
Steuerungsfunktionen e<strong>in</strong>e<br />
taktile Wahrnehmung.<br />
Bild: Quanser<br />
sich sehr geschmeidige und gleichmäßige Kräfte um Null<br />
herum erzeugen und das kann man auch fühlen“, sagt<br />
Karam. „Mit e<strong>in</strong>em Verstärker, der mit Pulsbreitenmodulation<br />
arbeitet, ist das nicht realisierbar.“ Das Entwicklerteam<br />
verwendet außerdem ke<strong>in</strong>e Standard-Motion-<br />
Controller aufgrund der dabei entstehenden Verzögerungen.<br />
Denn um S<strong>in</strong>neswahrnehmung zu erzeugen, die<br />
beim Berühren e<strong>in</strong>er harten Oberfläche oder bei der Interaktion<br />
mit der Umgebung entsteht, s<strong>in</strong>d hohe Kraftbandbreiten<br />
und sehr kurze Latenzzeiten nötig. Daher<br />
setzt das Entwicklerteam eigene 8-Kanal-Datenerfassungsboards<br />
und die Steuerungssoftware Quarc e<strong>in</strong>. Das<br />
Ergebnis ist e<strong>in</strong>e PC-basierte Steuerung, die im Bereich<br />
von 1 bis 10 kHz arbeitet, die Encoder simultan ausliest,<br />
die K<strong>in</strong>ematik des Geräts berechnet und die Drehmomente<br />
aller sechs Motoren vorgibt.<br />
SERVOMOTOR KUNDENSPEZIFISCH MODIFIZIERT<br />
Zum mechatronischen Design gehört e<strong>in</strong> Konzept,<br />
nach dem die Bauelemente auf Systemebene entwickelt<br />
und nicht willkürlich ausgewählt werden. Dabei<br />
kooperiert Quanser mit der amerikanischen Faulhaber-Tochter<br />
Micromo. „Durch Komb<strong>in</strong>ation der High-<br />
End-Motoren mit unseren L<strong>in</strong>earverstärkern s<strong>in</strong>d Antriebe<br />
entstanden, die e<strong>in</strong> hohes Ausgangsdrehmoment<br />
liefern, aber zugleich reibungs- und haftreibungsarm<br />
arbeiten sowie e<strong>in</strong>e niedrige Massenträgheit aufweisen“,<br />
erklärt Karam.<br />
Das Team strebte e<strong>in</strong>e Standardisierung auf der Basis<br />
von e<strong>in</strong>em oder zwei Motoren an. Dazu benötigten die<br />
Wissenschaftler e<strong>in</strong> hohes Drehmoment, das jedoch e<strong>in</strong>en<br />
größeren Motor voraussetzt, der wiederum mehr<br />
Massenträgheit, Reibung und Gewicht mit sich br<strong>in</strong>gt.<br />
Die Entwickler haben daher nach e<strong>in</strong>er Speziale<strong>in</strong>heit<br />
18<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
DAS HAPTIKGERÄT benötigt<br />
e<strong>in</strong>en Kle<strong>in</strong>stantrieb, der e<strong>in</strong><br />
hohes Ausgangsdrehmoment<br />
liefert, zugleich sehr reibungsund<br />
haftreibungsarm arbeitet<br />
und e<strong>in</strong>e sehr niedrige<br />
Massenträgheit aufweist.<br />
Bild: Faulhaber<br />
FÜR DIE CHIRURGENAUSBILDUNG muss das<br />
Gerät das bei der Operation entstehende Gefühl<br />
orig<strong>in</strong>algetreu wiedergeben. Bild: Quanser<br />
gesucht, die auf ihre Anforderungen abgestimmt se<strong>in</strong><br />
sollte – und fanden sie mit dem Faulhaber-Motor: „Dieser<br />
Motor hat e<strong>in</strong>e andere Spule, mit der sich e<strong>in</strong> hohes Ausgangsdrehmoment<br />
erzeugen lässt“, sagt Karam. „Er entwickelt<br />
zwar ke<strong>in</strong>e besonders hohen Drehzahlen, aber<br />
das ist bei Haptikgeräten auch selten erforderlich. E<strong>in</strong><br />
hohes Drehmoment und die nicht selbsthemmende<br />
Kraftübertragung, also die Fähigkeit des Benutzers, die<br />
Reibung zu überw<strong>in</strong>den und das Haptikgerät zu betätigen,<br />
s<strong>in</strong>d die entscheidenden Faktoren.“<br />
STANDARDENCODER FÜR FEEDBACK<br />
Die Motoren s<strong>in</strong>d mit hochauflösenden optischen Encodern<br />
ausgestattet. Diese liefern die präzisen Feedbackgrößen,<br />
die erforderlich s<strong>in</strong>d, um e<strong>in</strong>e realitätsnahe taktile<br />
Wahrnehmung zu erzeugen. Die Hersteller der Haptikgeräte<br />
verwenden Rollenantriebe anstelle von Getrieben,<br />
denn bei Getrieben kann es zu verzögerten<br />
Rückmeldungen kommen. E<strong>in</strong> Rollenantrieb besteht aus<br />
zwei Walzen, zwischen denen e<strong>in</strong> vorgespannter Strang<br />
verläuft, ähnlich wie bei e<strong>in</strong>er Videokassette. Das Verhältnis<br />
der beiden Walzendurchmesser bestimmt das<br />
Untersetzungsverhältnis. E<strong>in</strong>e typische Motor-Antriebsrollen-Baugruppe<br />
kann Untersetzungsverhältnisse von<br />
bis zu 30:1 erreichen.<br />
Damit Haptikgeräte effektiv arbeiten, müssen sie e<strong>in</strong>e<br />
kont<strong>in</strong>uierliche S<strong>in</strong>neswahrnehmung liefern, das bedeutet,<br />
dass die Motoren e<strong>in</strong> hohes Maß an Reproduzierbarkeit<br />
aufweisen müssen. Auch hier fanden die Forscher<br />
e<strong>in</strong>e Lösung. „Wie viel Kraft ich erzeuge, hängt e<strong>in</strong>zig<br />
und alle<strong>in</strong> davon ab, was ich für die nom<strong>in</strong>ale Drehmomentkonstante<br />
des Motors halte“, sagt Karam. „Quantitativ<br />
kann ich diese Größe von System zu System nicht<br />
messen, aber wir haben zahlreiche Varianten desselben<br />
Geräts hergestellt, und ich kann beim Nachführen ke<strong>in</strong>en<br />
Unterschied feststellen.“<br />
Dank ihrer Entwicklungsplattform und der Faulhaber-<br />
Motoren ist das Unternehmen <strong>in</strong> der Lage, aus Konzepten<br />
<strong>in</strong>nerhalb kürzerer Zeit Produkte herzustellen. „Wenn<br />
beispielsweise e<strong>in</strong> Chirurg mit dem Plan an uns herantritt,<br />
Nadele<strong>in</strong>stiche im Operationssaal zu untersuchen,<br />
können wir für ihn e<strong>in</strong> Gerät entwickeln, das genau die<br />
richtigen Spezifikationen dafür hat“, so Karam. In den<br />
kommenden zwanzig Jahren erhofft sich das Unternehmen<br />
zusätzliche Anwendungsmöglichkeiten <strong>in</strong> anderen<br />
Industriezweigen.<br />
AUTOR<br />
Dipl.-Ing. FH<br />
ANDREAS SEEGEN<br />
ist Leiter Market<strong>in</strong>g<br />
bei Faulhaber.<br />
Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG,<br />
Daimlerstraße 23/25, D-71101 Schönaich,<br />
Tel. +49 (0) 7031 63 81 23,<br />
E-Mail: andreas.seegen@faulhaber.de<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013<br />
19
PRAXIS<br />
Teamarbeit von Konstruktion und Dokumentation<br />
garantiert Risikobeurteilung aus e<strong>in</strong>em Guss<br />
Robomotion nutzt für CE-Kennzeichnung gemäß Masch<strong>in</strong>enrichtl<strong>in</strong>ie webbasierte Spezialsoftware<br />
ROBOTER und Komponenten verschiedener Hersteller <strong>in</strong>tegriert<br />
Robomotion für Kunden <strong>in</strong> komplette Produktionsanlagen.<br />
Mit e<strong>in</strong>er Spezialsoftware konnte der Entwicklungsdienstleister<br />
die Risiko beurteilung der Anlagen optimieren. Bild: Robomotion<br />
DIE WEBBASIERTE SOFTWARE Docufy Mach<strong>in</strong>e Safety<br />
erlaubt es, die Risikobeurteilungen parallel zur<br />
Konstruktion Schritt für Schritt zu erstellen und dabei<br />
frühzeitig Sicherheitsrisiken zu elim<strong>in</strong>ieren. Bild: Docufy<br />
Der Automatisierungsspezialist Robomotion konnte<br />
die Erstellung von Risikobeurteilungen gemäß Masch<strong>in</strong>enrichtl<strong>in</strong>ie<br />
mit e<strong>in</strong>er CE-Spezialsoftware erheblich<br />
verbessern: Durch den E<strong>in</strong>satz von Docufy Mach<strong>in</strong>e<br />
Safety halbierte sich der Zeitaufwand und die Kosten<br />
sanken. Da die Erstellung der Risikobeurteilung nun<br />
direkt <strong>in</strong> die Konstruktion e<strong>in</strong>er Anlage <strong>in</strong>tegriert ist,<br />
lassen sich Gefahrenquellen zudem frühzeitig erkennen<br />
und elim<strong>in</strong>ieren.<br />
Zunehmend werden die CE-Kennzeichnung und die<br />
damit e<strong>in</strong>hergehende Sicherheit ihrer Produkte zur<br />
zw<strong>in</strong>genden Voraussetzung für den Marktzugang. „Immer<br />
mehr Kunden achten beim Kauf e<strong>in</strong>er Anlage darauf,<br />
ob e<strong>in</strong>e Risikobeurteilung vorliegt. Teilweise wird<br />
diese sogar explizit <strong>in</strong> den Lastenheften verlangt“, erläutert<br />
Jens Rippel, bei der Robomotion GmbH aus<br />
Le<strong>in</strong>felden-Echterd<strong>in</strong>gen verantwortlich für die Technische<br />
Dokumentation. Gerade bei großen Unternehmen<br />
ist e<strong>in</strong>e e<strong>in</strong>wandfreie Risikobeurteilung mittlerweile<br />
oft Bed<strong>in</strong>gung für die Vergabe e<strong>in</strong>es Auftrages.<br />
Gleichzeitig erkennen die Lieferanten, dass die bisher<br />
von ihnen e<strong>in</strong>gesetzten, oft improvisierten Methoden zur<br />
Erstellung von Risikobeurteilungen an ihre Grenzen stoßen:<br />
Die Rechtskonformität ist meist ungewiss, Aufwand<br />
und Kosten s<strong>in</strong>d oft zu hoch.<br />
Immer mehr Masch<strong>in</strong>en- und Anlagenbauer steigen<br />
daher auf e<strong>in</strong>e professionelle Software um. So auch die<br />
Robomotion GmbH, die für Kunden aus der Lebensmittel-,<br />
Pharma- und Kunststoff<strong>in</strong>dustrie Roboter und Komponenten<br />
verschiedener Hersteller <strong>in</strong> komplette Produktionsanlagen<br />
<strong>in</strong>tegriert. Robomotion nutzt die webbasierte<br />
Lösung Docufy Mach<strong>in</strong>e Safety seit Anfang<br />
2012, um Risikobeurteilungen zur CE-Kennzeichnung<br />
gemäß Masch<strong>in</strong>enrichtl<strong>in</strong>ie zu erstellen. Damit gelang<br />
es dem Entwicklungsdienstleister, die Erstellung der<br />
Risikobeurteilung optimal <strong>in</strong> die Konstruktion e<strong>in</strong>er<br />
Anlage e<strong>in</strong>zub<strong>in</strong>den.<br />
RISIKEN BIS DATO ERST IM NACHHINEIN ERMITTELT<br />
Die größte Herausforderung bei der Risikobeurteilung<br />
bestand für Robomotion dar<strong>in</strong>, diese von Anfang an <strong>in</strong><br />
den Konstruktionsprozess zu <strong>in</strong>tegrieren. Vor E<strong>in</strong>führung<br />
von Docufy Mach<strong>in</strong>e Safety fertigte Jens Rippel die<br />
Risikobeurteilungen mit selbst erstellten Word- und<br />
Excel-Tabellen alle<strong>in</strong> an. In der Regel geschah dies nach<br />
Abschluss der Konstruktionsarbeiten. Das heißt, er<br />
musste diese Schritt für Schritt rekapitulieren und mit<br />
Hilfe des jeweiligen Konstrukteurs im Nachh<strong>in</strong>e<strong>in</strong> mögliche<br />
Risiken ermitteln. Rippel erläutert: „Dank Docufy<br />
Mach<strong>in</strong>e Safety können wir heute die Erstellung der Risikobeurteilung<br />
optimal <strong>in</strong> die Konstruktion e<strong>in</strong>er Anlage<br />
<strong>in</strong>tegrieren. Die mechanischen Konstrukteure sowie<br />
die Mitarbeiter <strong>in</strong> der Elektroplanung fertigen die Risikobeurteilung<br />
parallel zur Konstruktion an und pflegen<br />
Schritt für Schritt alle relevanten Informationen <strong>in</strong> das<br />
webbasierte System e<strong>in</strong>.“ Derzeit arbeiten neben Jens<br />
Rippel noch drei Kollegen aus der Konstruktionsabteilung<br />
mit Docufy Mach<strong>in</strong>e Safety.<br />
20<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
GEFAHRENQUELLEN FRÜHZEITIG ELIMINIERT<br />
Dieses parallele Arbeiten br<strong>in</strong>gt gleich mehrere Vorteile:<br />
Da der Konstruktionsprozess nicht nachträglich<br />
wieder aufgerollt werden muss, s<strong>in</strong>kt der Aufwand sowohl<br />
im Bereich Technische Dokumentation als auch<br />
bei den Konstrukteuren. Durch die zeitgleiche Risikobeurteilung<br />
ist es nun auch besser möglich, Gefahrenquellen<br />
sofort zu elim<strong>in</strong>ieren. „Vor allem aber hat der<br />
E<strong>in</strong>satz von Docufy Mach<strong>in</strong>e Safety dazu geführt, dass<br />
die Konstrukteure die Risikobeurteilung nicht mehr<br />
nur als notwendiges Übel ansehen, sondern dass sie viel<br />
bewusster auf mögliche Risiken achten. Früher haben<br />
wir bei der Beurteilung der fertigen Konstruktion<br />
manchmal Gefahrenquellen gefunden, die dem Konstrukteur<br />
anfangs nicht bewusst waren. Seit der E<strong>in</strong>führung<br />
dieser Software ist das Thema Masch<strong>in</strong>ensicherheit<br />
viel besser <strong>in</strong> den Köpfen unserer Konstrukteure<br />
verankert“, erläutert Jens Rippel.<br />
„Mit dem vorher von uns e<strong>in</strong>gesetzten Verfahren der<br />
Risikobeurteilung mittels Excel und Word war es immer<br />
sehr schwierig, die e<strong>in</strong>schlägigen Normen und Richtl<strong>in</strong>ien<br />
zu erfüllen“, blickt Jens Rippel zurück. Denn bei<br />
der Konzeption neuer Anlagen greift Robomotion häufig<br />
auf bereits verwendete und bewährte Baugruppen und<br />
Komponenten zurück. Deren Risikobeurteilungen wurden<br />
früher jeweils von Liste zu Liste weiterkopiert. „Das<br />
war nicht nur kompliziert und aufwendig, sondern führte<br />
auch häufig zu Fehlern. Da für e<strong>in</strong>e Anlage meist mehrere<br />
Excel-Tabellen herangezogen wurden, g<strong>in</strong>g schnell<br />
die Übersicht verloren. Oft war unklar, was wann ausgefüllt<br />
werden muss. Zudem gab es ke<strong>in</strong>e Gewähr, dass<br />
auch wirklich alle relevanten Inhalte übernommen wurden“,<br />
er<strong>in</strong>nert sich Jens Rippel.<br />
DER ZEITAUFWAND WURDE MIT DOCUFY HALBIERT<br />
Demgegenüber bietet Docufy Mach<strong>in</strong>e Safety dem Automatisierungsspezialisten<br />
jetzt maximale Rechtskonformität.<br />
E<strong>in</strong>en entscheidenden Beitrag dazu leisten die<br />
Kopiervorlagen. Hat man e<strong>in</strong>mal e<strong>in</strong> Konzept erstellt,<br />
wie man die Sicherheit e<strong>in</strong>er Anlage gewährleisten<br />
kann, so wird dieses Pr<strong>in</strong>zip dank der Kopiervorlagen<br />
für jede weitere Anlage angewendet. Zudem führt die<br />
Software die Nutzer Schritt für Schritt durch den Beurteilungsprozess,<br />
so dass auch wirklich alle wichtigen<br />
Bestandteile enthalten s<strong>in</strong>d.<br />
Dank Docufy Mach<strong>in</strong>e Safety ist es Robomotion zudem<br />
gelungen, den Aufwand für die Erstellung der Risikobeurteilungen<br />
zu senken. „Wir haben den Zeitaufwand<br />
dank der Lösung etwa auf die Hälfte reduziert“, freut sich<br />
Jens Rippel. Diese Zeite<strong>in</strong>sparungen entstehen zum e<strong>in</strong>en<br />
durch die Erstellung der Risikobeurteilung parallel zum<br />
Konstruktionsprozess. Zum anderen leistet der modulare<br />
Aufbau der Software e<strong>in</strong>en entscheidenden Beitrag zur<br />
Aufwandsreduktion. Denn Risikobeurteilungen für e<strong>in</strong>zelne<br />
Baugruppen können abgespeichert und später wiederverwendet<br />
werden. Außerdem gibt Docufy Mach<strong>in</strong>e<br />
Safety am Schluss automatisch e<strong>in</strong>e Konformitätserklärung<br />
<strong>in</strong> e<strong>in</strong>em sauberen Layout aus.<br />
Weitere Vorteile zieht Robomotion aus der Schnittstelle<br />
zum Software-Assistenten Sistema. So werden Projekte<br />
und die entsprechenden Sicherheitsfunktionen nun<br />
automatisch <strong>in</strong> Sistema generiert. Das mühsame Suchen<br />
<strong>in</strong> Excel-Tabellen entfällt, denn die Dokumentation e<strong>in</strong>es<br />
Projekts wird e<strong>in</strong>fach aus Docufy Mach<strong>in</strong>e Safety übernommen.<br />
Im Gegenzug importiert die Software die bearbeitete<br />
Sistema-Datei <strong>in</strong>klusive dem erreichten Performance<br />
Level für alle steuerungstechnischen Maßnahmen<br />
und führt es <strong>in</strong> der Risikobeurteilung mit auf. „Das<br />
alles spart Zeit und reduziert die Fehleranfälligkeit“,<br />
fasst Jens Rippel zusammen.<br />
WEBAPPLIKATION LÄSST SICH EINFACH INTEGRIEREN<br />
Robomotion war es darüber h<strong>in</strong>aus wichtig, dass die<br />
Software e<strong>in</strong>fach zu bedienen ist. „Wir konnten die Software<br />
sofort, ohne Schulung oder umfangreiche E<strong>in</strong>arbeitung<br />
nutzen – was besonders für unsere Konstrukteure<br />
sehr wichtig war. Das Programm ist nahezu selbsterklärend<br />
und leitet den Nutzer schrittweise durch den<br />
Risikobeurteilungs-Prozess“, erklärt Rippel.<br />
E<strong>in</strong> wichtiges Auswahlkriterium war für Robomotion<br />
außerdem die e<strong>in</strong>fache Integration <strong>in</strong> die vorhandene<br />
IT. Die Software ist auf e<strong>in</strong>em Server von Robomotion<br />
<strong>in</strong>stalliert. „Es kam uns sehr entgegen, dass Docufy Mach<strong>in</strong>e<br />
Safety e<strong>in</strong>e Webapplikation ist, bei der sich unsere<br />
Mitarbeiter ohne größeren adm<strong>in</strong>istrativen Aufwand<br />
e<strong>in</strong>fach e<strong>in</strong>loggen können.“ Um die Lösung <strong>in</strong>tensiver<br />
nutzen zu können, erwarb Robomotion e<strong>in</strong>e<br />
zweite Lizenz. „Nun können mehrere Mitarbeiter, auch<br />
zwei gleichzeitig, mit Docufy Mach<strong>in</strong>e Safety arbeiten<br />
– Konstruktion und Risikobeurteilung können nun problemlos<br />
parallel erfolgen.“<br />
AUTOR<br />
PETER STROBELBERGER<br />
ist im Bereich Vertrieb und<br />
Beratung Docufy Mach<strong>in</strong>e<br />
Safety tätig.<br />
Docufy GmbH,<br />
Kapuz<strong>in</strong>erstraße 32,<br />
D-96047 Bamberg,<br />
Tel. +49 (0) 951 20 85 97 46,<br />
E-Mail: peter.strobelberger@docufy.de<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013<br />
21
PRAXIS<br />
Wireless vom Feld <strong>in</strong> die Welt: Sicher drahtlos<br />
kommunizieren im Automatisierungsumfeld<br />
WirelessHart, WLAN und Mobilfunk bieten zuverlässige Lösungen für nahezu alle Szenarien, Teil 1<br />
Drahtlose Kommunikation ist aus unserem Alltag nicht<br />
mehr wegzudenken. Informationen überall auf der<br />
Welt jederzeit per Internet abzurufen ist selbstverständlich<br />
geworden. Diese Vorteile können auch Anwender <strong>in</strong><br />
der Automatisierungstechnik nutzen. Die verschiedenen<br />
Technologien können mit Hilfe e<strong>in</strong>es Koexistenz-Managements<br />
ohne Probleme im Zusammenspiel e<strong>in</strong>gesetzt<br />
werden: WirelessHart sorgt für den Transport der Daten<br />
von der Feld- zur Steuerungsebene, Industrial Wireless<br />
LAN übernimmt die drahtlose Vernetzung der Steuerungsebene<br />
und Mobilfunk ermöglicht den Zugriff auf<br />
weltweit entfernte Anlagenteile. Der erste Teil dieses<br />
Beitrags stellt die Möglichkeiten von WirelessHart und<br />
die Grundzüge der WLAN-Standards dar. Die zweite<br />
Folge <strong>in</strong> <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> 10 beschreibt konkrete <strong>in</strong>dustrielle<br />
WLAN-Anwendungen und die Möglichkeiten der Mobilfunknetze.<br />
FUNKTECHNIK KOMMT IMMER HÄUFIGER ZUM EINSATZ<br />
Die Akzeptanz von drahtlosen Systemen <strong>in</strong> der Industrie<br />
wächst weltweit immer schneller – und vor allem gleichmäßig<br />
über die verschiedenen Regionen h<strong>in</strong>weg, was<br />
sich laut IMS Research <strong>in</strong> den erwarteten Absatzzahlen<br />
widerspiegelt (Bild 1). Drahtlose Netzwerke kommen <strong>in</strong><br />
der Industrie immer dann zum E<strong>in</strong>satz, wenn mehr Flexibilität<br />
gefordert ist oder das Verlegen von Kabeln an<br />
se<strong>in</strong>e technischen Grenzen stößt. Außerdem bieten<br />
drahtlose Systeme <strong>in</strong> bestimmten Fällen e<strong>in</strong>e höhere Zuverlässigkeit<br />
als fest verdrahtete, ermöglichen e<strong>in</strong>en<br />
schnelleren Aufbau und, wie oben angesprochen, mehr<br />
Flexibilität. So lassen sich deutliche Kostene<strong>in</strong>sparungen<br />
beispielsweise <strong>in</strong> Montage und Instandhaltung erzielen.<br />
Die Funktechnologien werden durch die Weiterentwicklung<br />
der Standards <strong>in</strong>nerhalb des IEEE, der IEC<br />
und ISA immer ausgereifter und f<strong>in</strong>den sowohl <strong>in</strong> der<br />
Fertigungs- als auch <strong>in</strong> der Prozessautomatisierung zunehmend<br />
Anwendung. Sie stellen somit e<strong>in</strong>e Alternative<br />
oder Ergänzung zu herkömmlichen kabelgebundenen<br />
Netzen dar. Es stehen zurzeit verschiedene standardisierte<br />
drahtlose Technologien zur Verfügung wie: WirelessHart<br />
(IEEE 802.15.4), Wireless LAN (IEEE 802.11) und<br />
der Mobilfunk (GSM/UMTS/LTE) (Bild 2 und 3).<br />
Weltmarkt für Wireless-Geräte im E<strong>in</strong>satz nach Region<br />
2012–2017<br />
EMEA<br />
Amerika<br />
Asien Pazifik<br />
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000<br />
Quelle: IMS Research (Part of IHS)<br />
BILD 1: Die Akzeptanz von drahtlosen Systemen <strong>in</strong><br />
der Industrie wächst weltweit immer schneller, was<br />
sich <strong>in</strong> den erwarteten Absatzzahlen widerspiegelt.<br />
2012<br />
2017<br />
BILD 4: WirelessHart wird <strong>in</strong> der Prozess<strong>in</strong>dustrie zur<br />
Überwachung und Diagnose verwendet. Bild: Siemens<br />
WIRELESSHART GEEIGNET FÜR PROZESSINDUSTRIE<br />
WirelessHart ist e<strong>in</strong> offener Industriestandard und setzt<br />
auf IEEE 802.15.4 auf. Er wurde speziell für die besonderen<br />
Anforderungen an drahtlose Kommunikation <strong>in</strong> der<br />
Feldebene der Prozess<strong>in</strong>dustrie entwickelt. WirelessHart<br />
ist e<strong>in</strong>e Weiterentwicklung des Hart (Highway Adressable<br />
Remote Transducer)-Protokolls und kommt heute maßgeblich<br />
zu drahtlosen Überwachungs- und Diagnosezwecken<br />
<strong>in</strong> der Prozess<strong>in</strong>dustrie zum E<strong>in</strong>satz. Typische Anwendungsfälle<br />
können die Aufnahme von Messdaten von<br />
Heiz-, Kühl-, Rühr- und Pumpvorgängen se<strong>in</strong> (Bild 4).<br />
Prozesstechnische Anlagen zeichnen sich dadurch<br />
aus, dass <strong>in</strong> der Regel der gesamte Prozess für die Herstellung<br />
e<strong>in</strong>es bestimmten Produktes an e<strong>in</strong>em Ort konzentriert<br />
ist. Je nach Industriebereich können diese Anlagen<br />
somit beträchtliche Ausmaße annehmen. Die Anforderungen<br />
an die Reichweite s<strong>in</strong>d also sehr hoch und<br />
liegen im Bereich von 10 km² oder mehr. Der von WirelessHart<br />
verwendete Standard IEEE 802.15.4 ermöglicht<br />
Reichweiten im Umkreis der Sende-/Empfangse<strong>in</strong>heit<br />
von 100 m zwischen zwei Teilnehmern. Größere Entfernungen<br />
überbrückt WirelessHart mit der Multi-Hop-<br />
Technologie: WirelessHart-Sensoren übertragen ihre<br />
Sensorwerte zum jeweils nächsten verfügbaren WirelessHart-Sensor<br />
bis die Daten am Gateway e<strong>in</strong>treffen.<br />
HOHE SICHERHEIT GEGEN ANGREIFER VON AUSSEN<br />
Häufig werden mit WirelessHart analoge Signale von<br />
Temperatur-, Druck oder Füllstandüberwachungen ausgewertet.<br />
Die vergleichsweise langsamen Prozessänderungen<br />
erlauben hohe Zykluszeiten, die typischerweise<br />
zwischen 100 ms und e<strong>in</strong>igen Sekunden liegen. Diese<br />
drahtlose Lösung nutzt das 2,4-GHz-ISM-Frequenzband<br />
22<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
Weltmarkt für Wireless-Geräte nach Übertragungsstandard<br />
2012–2017<br />
Wireless LAN<br />
> 100 km<br />
Reichweite<br />
Wireless WAN<br />
(GSM/UMTS/LTE)<br />
Fernzugriffsebene<br />
(Scada, Telecontrol)<br />
WirelessHart<br />
Mobilfunk<br />
2012<br />
2017<br />
> 1000 m<br />
> 100 m<br />
Wireless LAN<br />
(IEEE 802.11abgn)<br />
Steuerungsebene<br />
(Feldbus, Scada)<br />
Andere<br />
WirelessHart<br />
Feldebene<br />
(Prozessdaten)<br />
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500<br />
0 m<br />
Quelle: IMS Research (Part of IHS)<br />
BILD 2 UND BILD 3: WirelessHart, Wireless LAN und der Mobilfunk mit den<br />
Standards GSM, UMTS und LTE decken unterschiedliche Reichweitenanforderungen<br />
ab. Für alle Wireless-Technologien wird der Markt wachsen.<br />
BILD 5: Typisches WirelessHart-Netzwerk mit vermaschter Netzwerktopologie und redundantem<br />
Gateway. Für die analogen Signale von Temperatur-, Druck oder Füllstandüberwachungen mit relativ<br />
langen Zykluszeiten reicht die Übertragungsgeschw<strong>in</strong>digkeit von maximal 250 kBit/s aus.<br />
mit maximal 250 kbit/s und bietet somit e<strong>in</strong>e ausreichende<br />
Geschw<strong>in</strong>digkeit. Allerd<strong>in</strong>gs steigt die tatsächliche<br />
Übertragungszeit l<strong>in</strong>ear mit der Anzahl der Hops, die<br />
e<strong>in</strong>e Information zurücklegen muss, bis sie beim Gateway<br />
e<strong>in</strong>trifft (Bild 5).<br />
Da prozesstechnische Anlagen oft durch ihre Größe<br />
und aufgrund der Erzeugnisse, wie etwa Benz<strong>in</strong>,<br />
Kunststoffe, Pestizide und vieles mehr <strong>in</strong> ihrer gesamtgesellschaftlichen<br />
Relevanz wahrgenommen werden,<br />
s<strong>in</strong>d die Anforderungen an e<strong>in</strong>e sichere Kommunikation<br />
besonders hoch. Durch Verschlüsselung und Authentifizierung<br />
auf Applikationsebene (Ende-zu-Ende)<br />
und auf Paketebene (Hop-zu-Hop) bietet WirelessHart<br />
e<strong>in</strong>e hohe Sicherheit gegen Angreifer von außen und<br />
gegen die unauthorisierte Nutzung von Daten <strong>in</strong>nerhalb<br />
des Netzwerks.<br />
Auf Applikationsebene beg<strong>in</strong>nt die Sicherheit bereits,<br />
bevor sich e<strong>in</strong> Teilnehmer an e<strong>in</strong>em WirelessHart-<br />
Netzwerk anmeldet. Im Gateway wird für das Netzwerk<br />
e<strong>in</strong> sogenannter Jo<strong>in</strong>-Key vere<strong>in</strong>bart. Während des Anmeldeprozesses<br />
(Jo<strong>in</strong><strong>in</strong>g) muss e<strong>in</strong> neues Gerät den<br />
korrekten Jo<strong>in</strong>-Key vorweisen. Danach wird zwischen<br />
dem neuen Gerät und dem Gateway e<strong>in</strong> exklusiver<br />
Session-Key vere<strong>in</strong>bart, der ke<strong>in</strong>em weiteren Gerät bekannt<br />
ist. Grundsätzlich wird darüber h<strong>in</strong>aus jedes<br />
Datenpaket separat verschlüsselt und mit Authentifizierung<br />
übertragen.<br />
ZUVERLÄSSIG MIT REDUNDANZ UND KANALHOPPING<br />
Da viele Produktionsprozesse <strong>in</strong> prozesstechnischen<br />
Anlagen nicht unterbrochen werden dürfen – also lückenlos<br />
gesteuert und überwacht werden müssen – ist<br />
die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Kommunikation<br />
hier besonders wichtig. Dies gewährleisten<br />
WirelessHart-Netzwerke mit e<strong>in</strong>er Reihe technischer<br />
Lösungen.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013<br />
23
PRAXIS<br />
Zunächst s<strong>in</strong>d diese Netzwerke <strong>in</strong> Maschen-Form<br />
(meshed network) aufgebaut. E<strong>in</strong> Teilnehmer baut e<strong>in</strong>e<br />
Verb<strong>in</strong>dung zu allen erreichbaren Teilnehmern <strong>in</strong> se<strong>in</strong>er<br />
näheren Umgebung auf. Die Kommunikation wird<br />
so nahezu beliebig redundant und es ist sicher, dass<br />
auch beim Ausfall e<strong>in</strong>es Teilnehmers alle weiteren erreichbar<br />
bleiben. Zudem wird die gesamte Kommunikation<br />
im WirelessHart-Netzwerk Zeitschlitz-orientiert<br />
(TDMA – Time Division Multiple Access) aufgebaut.<br />
So bekommt zu jedem Zeitschlitz e<strong>in</strong> Knoten den<br />
Kommunikationskanal exklusiv zugewiesen. WirelessHart<br />
verhält sich somit ähnlich determ<strong>in</strong>istisch wie<br />
drahtgebundene Feldbusse und erhöht deutlich die<br />
Zuverlässigkeit der Applikation.<br />
Zusätzlich wird der Kommunikationskanal auf die<br />
verfügbaren Frequenzkanäle im 2,4-GHz-ISM-Frequenzband<br />
aufgeteilt. Insgesamt stehen WirelessHart<br />
14 überlappungsfreie Frequenzkanäle zur Verfügung<br />
(Bild 6). Das Hopp<strong>in</strong>g über die Kanäle liefert e<strong>in</strong>e deutlich<br />
robustere Kommunikation bei Koexistenzproblemen<br />
oder schlechten Kanalbed<strong>in</strong>gungen, die beispielsweise<br />
durch Mehrwegeausbreitung hervorgerufen se<strong>in</strong><br />
können.<br />
Das WirelessHart-Netzwerk wird von e<strong>in</strong>em zentralen<br />
Punkt aus, dem Netzwerk-Manager, aufgebaut und betrieben.<br />
Dieser legt beim Hochlauf des Netzes fest, welcher<br />
Knoten zu welchem Zeitschlitz auf welchem Kanal<br />
mit welchem benachbarten Knoten kommunizieren darf.<br />
Während der gesamten Laufzeit wird dieses Schema permanent<br />
überwacht und optimiert. Die gesamte Intelligenz<br />
des Netzwerk-Managers ist Bestandteil des WirelessHart-Gateways.<br />
Damit bei dessen Ausfall nicht das<br />
komplette Netzwerk zusammenbricht, kann die Topologie<br />
mit Hilfe e<strong>in</strong>es aktiven Gateways und e<strong>in</strong>es passiven<br />
Gateways redundant aufgebaut werden. Sollte das aktive<br />
ausfallen, übernimmt das passive Gateway aktiv die Kontrolle.<br />
Die redundante Ausführung des Gateways ist für<br />
das dah<strong>in</strong>terliegende Netzwerk tran<strong>sparen</strong>t.<br />
WIRELESS LAN IST AUCH ECHTZEITFÄHIG<br />
Wireless LAN (WLAN) ist e<strong>in</strong> offener Standard gemäß<br />
IEEE 802.11abgn, der die hohen Anforderungen an die<br />
anlagenweite Kommunikation auf der Steuerungsebene<br />
<strong>in</strong> puncto Zuverlässigkeit, Datendurchsatz und Datenübertragung<br />
erfüllen kann. Er ermöglicht die gleichzeitige<br />
Übertragung unterschiedlicher Kommunikationsdienste<br />
und kommt <strong>in</strong> der <strong>in</strong>dustriellen Automatisierung<br />
dann zum E<strong>in</strong>satz, wenn höhere Anforderungen an Echtzeitfähigkeit<br />
oder Bandbreite stellen, die WirelessHart<br />
nicht erfüllen kann.<br />
WLAN kann gemäß Standard IEEE 802.11n Brutto-<br />
Datenraten bis zu 600 MBit/s übertragen und mit <strong>in</strong>dustrietauglichen<br />
Optimierungen die für die Feldbuskommunikation<br />
notwendigen Echtzeitübertragungen erreichen.<br />
Grundlage s<strong>in</strong>d hier die lizenzfreien 2,4- und<br />
5-GHz-ISM-Frequenzbänder.<br />
Datenrate<br />
600<br />
Frequenzkanal<br />
Mittelfrequenz (MHz)<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24<br />
2405 2410 2415 2420 2425 2430 2435 2440 2445 2450 2455 2460 2465 2470<br />
100<br />
0<br />
1999 1999 2003 2004 2009 2009<br />
802.11a 802.11b 802.11g 802.11h 802.11n 802.11n<br />
2x3:2 2x3:3<br />
Bei 802.11n: Sendeantennen x Empfangsantennen : Anzahl Datenströme<br />
2009<br />
802.11n<br />
4x4:4<br />
Standard<br />
ratifiziert<br />
BILD 6: Zusätzlich zur E<strong>in</strong>teilung des Kommunikationskanals <strong>in</strong> Zeitschlitze<br />
wird dieser bei WirelessHart auf die verfügbaren Frequenzkanäle<br />
<strong>in</strong>nerhalb des 2,4-GHz-ISM-Frequenzbandes aufgeteilt. So stehen<br />
WirelessHart 14 überlappungsfreie Frequenzkanäle zur Verfügung.<br />
BILD 7: Die neuesten WLAN-Standards<br />
bieten deutlich höhere Übertragungsraten<br />
als Fast Ethernet und eröffnen viele<br />
neue Möglichkeiten: beispielsweise die<br />
Komb<strong>in</strong>ation der Kommunika tion<br />
zwischen Automatisierungskomponenten<br />
und High-Def<strong>in</strong>ition-Videostreams<br />
über dieselbe drahtlose Infrastruktur.<br />
Heim-/Büronetz<br />
Industrielle Umgebung<br />
Schutzklasse IP20 Bis zu IP67<br />
Temperatur 0… +30°C -40… +70°C<br />
Material Plastik Metall<br />
Stromversorgung 110/230 VAC 24 VDC<br />
BILD 8: Für den <strong>in</strong>dustriellen<br />
E<strong>in</strong>satz muss die WLAN-Hardware<br />
andere Eigenschaften besitzen als<br />
<strong>in</strong> der Büroumgebung.<br />
24<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
„UR-STANDARD“ BOT NUR 2 MBIT PRO SEKUNDE<br />
Der „Ur-Standard“ IEEE 802.11 legacy aus dem Jahr 1997<br />
nutzt das 2,4-GHz-ISM-Frequenzband und bietet lediglich<br />
e<strong>in</strong>e Brutto-Übertragungsrate von bis zu 2 Mbit/s. Im<br />
großen Stil kamen WLAN-Produkte <strong>in</strong> der Industrie erst<br />
e<strong>in</strong>ige Jahre später zum E<strong>in</strong>satz, als der IEEE 802.11b-<br />
Standard im gleichen Frequenzband e<strong>in</strong>e Brutto-Übertragungsrate<br />
von bis zu 11 Mbit/s ermöglichte. Hier wird<br />
mit dem Modulationsverfahren Direct Sequence Spread<br />
Spectrum (DSSS) das Trägersignal aufgespreizt, was<br />
mehr Bandbreite erzeugt als für den eigentlichen Nutzdatenstrom<br />
nötig wäre. Dadurch wird das Signal nahezu<br />
unempf<strong>in</strong>dlich gegenüber schmalbandigen Störungen im<br />
selben Frequenzbereich. IEEE 802.11b kommt auch heute<br />
noch <strong>in</strong> vielen Geräte, wie etwa Handhelds, zum E<strong>in</strong>satz.<br />
IEEE 802.11H ERSCHLIESST AUCH DEN AUSSENBEREICH<br />
IEEE 802.11g ermöglicht e<strong>in</strong>en höheren Brutto-Datendurchsatz<br />
von bis zu 54 Mbit/s im 2,4-GHz-ISM-Frequenzband.<br />
Die gleiche Datenübertragung nutzt der für<br />
das 5-GHz-ISM-Band ausgelegte Standard IEEE 802.11a.<br />
Zur Modulation verwenden beide Standards Orthogonal<br />
Frequency Division Multiplex<strong>in</strong>g (OFDM), das sich<br />
durch mehrere e<strong>in</strong>zelne schmalbandige Trägersignale<br />
auszeichnet, über die der Nutzdatenstrom verteilt wird.<br />
IEEE 802.11h wiederum ist e<strong>in</strong>e Erweiterung des Standards<br />
IEEE-802.11a. Er erschließt Anwendungen im Außenbereich,<br />
höhere zulässige Sendeleistungen und weitere<br />
Frequenzen. Diese muss er sich aber mit Primärnutzern<br />
wie Radarsystemen sowie den Bereichen Meteorologie,<br />
Militär oder Schifffahrt teilen. Für den<br />
Sekundärnutzer s<strong>in</strong>d somit bestimmte Protokolleigenschaften<br />
verpflichtend vorgeschrieben: Beispielsweise<br />
muss sich das WLAN selbst abschalten, sobald e<strong>in</strong> Primärnutzer<br />
auf derselben Frequenz detektiert wird. Der<br />
Access Po<strong>in</strong>t schaltet sich anschließend wieder e<strong>in</strong> und<br />
sucht sich nach e<strong>in</strong>em Scan des Frequenzbandes e<strong>in</strong>e<br />
Frequenz, <strong>in</strong> welcher der Primärnutzer nicht aktiv ist.<br />
Diese Technik heißt Dynamic Frequency Selection (DFS).<br />
NEUESTE WLAN-VERSION FÜR 600 MBIT/SEKUNDE<br />
Der neueste Standard IEEE 802.11n def<strong>in</strong>iert Brutto-Bandbreiten<br />
von maximal 600 Mbit/s. In der Praxis h<strong>in</strong>gegen<br />
s<strong>in</strong>d aufgrund der Hardwarebeschaffenheit zurzeit maximal<br />
450 Mbit/s brutto verfügbar. IEEE 802.11n verwendet<br />
die Frequenzbänder 2,4 GHz und 5 GHz. Durch die<br />
Unterstützung beider Frequenzbänder vergrößert sich<br />
unter anderem die Zahl der für das gesamte Netzwerk zur<br />
Verfügung stehenden Kanäle. In der Praxis ist davon auszugehen,<br />
dass im Falle e<strong>in</strong>er Komb<strong>in</strong>ation des 2,4-GHz-<br />
(drei Kanäle) mit dem 5-GHz-ISM-Frequenzband (19 Kanäle)<br />
<strong>in</strong>sgesamt 22 überlappungsfreie Kanäle verfügbar<br />
s<strong>in</strong>d. Allerd<strong>in</strong>gs müssen hier auch alle Netzwerk-Clients<br />
– also Endgeräte wie Client-Module, Laptops oder Smartphones<br />
– beide Frequenzen unterstützen.<br />
Wie bei den herkömmlichen Standards kann sich e<strong>in</strong><br />
WLAN-Client mittels Roam<strong>in</strong>g mit unterschiedlichen<br />
Access Po<strong>in</strong>ts und somit auch unterschiedlichen Kanälen<br />
verb<strong>in</strong>den. Roam<strong>in</strong>g bezeichnet die Übergabe der<br />
Netzwerkverb<strong>in</strong>dung des Clients von e<strong>in</strong>em Access Po<strong>in</strong>t<br />
zum anderen und wird e<strong>in</strong>gesetzt, um die Reichweite<br />
e<strong>in</strong>es WLAN-Netzwerks zu vergrößern. Verwendet e<strong>in</strong><br />
Client den Standard IEEE 802.11n und unterstützt<br />
2,4 GHz sowie 5 GHz, dann kann er sogar zwischen den<br />
e<strong>in</strong>zelnen Frequenzbändern wechseln. Das Roam<strong>in</strong>g von<br />
Clients zwischen Access Po<strong>in</strong>ts mit unterschiedlichen<br />
Frequenzbändern vere<strong>in</strong>facht die Planung zuverlässiger<br />
und störungsfreier WLAN-Netzwerke erheblich.<br />
ZEHNMAL SCHNELLER ALS FAST ETHERNET<br />
Mit e<strong>in</strong>em Netto-Durchsatz von bis zu 220 Mbit/s unter<br />
Idealbed<strong>in</strong>gungen bietet der Standard IEEE 802.11n höhere<br />
Datenraten als das Fast Ethernet. Durch diese im<br />
Vergleich zu den bisherigen Standards nahezu zehnmal<br />
höhere Netto-Übertragungsrate eröffnen sich viele neue<br />
Möglichkeiten: beispielsweise die Komb<strong>in</strong>ation der<br />
Kommunikation zwischen Automatisierungskomponenten<br />
und High-Def<strong>in</strong>ition-Videostreams über dieselbe<br />
drahtlose Infrastruktur oder der gleichzeitige Transfer<br />
mehrerer High-Def<strong>in</strong>ition-Videostreams (Bild 7). Brutto-<br />
Datenraten von 6,77 Gbit/s werden von dem neuen Standard<br />
IEEE 802.11ac erwartet, der im 5 GHz-ISM-Frequenzband<br />
arbeitet und Anfang 2014 verabschiedet<br />
werden soll.<br />
Der zweite Teil dieses Beitrags beschreibt <strong>in</strong> <strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
10/2013 konkrete <strong>in</strong>dustrielle WLAN-Anwendungen<br />
und die Möglichkeiten der Mobilfunknetze.<br />
AUTOREN<br />
Dipl.-Ing. JENS GREBNER ist<br />
Product Manager für Industrial Remote<br />
Commu nication bei Siemens.<br />
Siemens AG,<br />
Gleiwitzer Str. 555, D-90475 Nürnberg,<br />
Tel. +49 (0) 911 895 28 94,<br />
E-Mail: jens.grebner@siemens.com<br />
B.Sc. SANDER ROTMENSEN ist<br />
Product Manager Industrial Wireless<br />
LAN bei Siemens.<br />
Tel. +49 (0) 911 895 46 92,<br />
E-Mail: sander.rotmensen@siemens.com<br />
Dipl.-Betriebswirt<strong>in</strong> ROSWITHA SKOWRONEK<br />
ist Market<strong>in</strong>g Manager für <strong>in</strong>dustrielle<br />
Netzwerk komponenten bei Siemens.<br />
Tel. +49 (0) 911 895 43 09,<br />
E-Mail: roswitha.skowronek@siemens.com<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013<br />
25
HAUPTBEITRAG<br />
<strong>Energie</strong> <strong>sparen</strong> <strong>in</strong><br />
<strong>geregelten</strong> <strong>Pumpensystemen</strong><br />
Vermeidbaren Druckverlust der Regelarmatur ermitteln<br />
In Anlagen f<strong>in</strong>den sich häufig Pumpensysteme mit überdimensionierten Pumpen. E<strong>in</strong><br />
<strong>Energie</strong>e<strong>in</strong>sparpotenzial lässt sich erschließen, wenn es gel<strong>in</strong>gt, den Anteil des Druckverlustes<br />
der Regelarmatur zu ermitteln, der sich vermeiden ließe. Hierzu werden im<br />
Beitrag Möglichkeiten aufgezeigt, die sich auf Daten aus der Anlage stützen. Diese erlauben<br />
es, e<strong>in</strong>en vermeidbaren Druckverlust zu bestimmen. Das ermöglicht es, den Leistungsbedarf<br />
zu verr<strong>in</strong>gern, entweder durch e<strong>in</strong>e Pumpe mit ger<strong>in</strong>gerer Leistung, vorzugsweise<br />
durch das Abdrehen des Laufrads, oder alternativ durch e<strong>in</strong>e Drehzahlverstellung. Bei<br />
kle<strong>in</strong>eren Pumpen <strong>in</strong> der chemischen Industrie stellt dabei – abhängig vom E<strong>in</strong>zelfall –<br />
die nachträgliche Anpassung e<strong>in</strong>e wirtschaftlich s<strong>in</strong>nvolle Alternative dar.<br />
SCHLAGWÖRTER Pumpe / <strong>Energie</strong>e<strong>in</strong>sparung / Drosselregelung / Abdrehen Laufrad<br />
Energy conservation <strong>in</strong> controlled pump systems –<br />
Identify<strong>in</strong>g avoidable pressure losses <strong>in</strong> throttle control systems<br />
Industrial plants frequently employ oversized pumps, so that energy consumption may be<br />
unnecessarily high. Reductions are possible by determ<strong>in</strong><strong>in</strong>g the avoidable pressure drop<br />
caused by excessive control valve throttl<strong>in</strong>g. Ways are described to identify this avoidable<br />
pressure drop, based on data extracted from the plant. Utilis<strong>in</strong>g the data it is possible to<br />
lower energy consumption by choos<strong>in</strong>g another pump, trimm<strong>in</strong>g the impeller, or alternatively<br />
switch<strong>in</strong>g to a variable speed drive. In the process <strong>in</strong>dustry, where the majority of<br />
centrifugal pumps have relatively low power rat<strong>in</strong>gs, trimm<strong>in</strong>g the impeller frequently<br />
turns out to be rather economical.<br />
KEYWORDS pump / energy conservation / throttle control systems / trimmed impeller<br />
26<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
WALTER SCHICKETANZ, Pumpenfach<strong>in</strong>genieur<br />
Die E<strong>in</strong>sparung elektrischer <strong>Energie</strong> ist e<strong>in</strong> Ziel,<br />
das den regulatorischen Vorgaben entspr<strong>in</strong>gt<br />
und unter dem Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit<br />
zunehmend an Bedeutung gew<strong>in</strong>nt.<br />
E<strong>in</strong>e Untersuchung von Pumpen, vorwiegend <strong>in</strong><br />
Unternehmen der chemischen Industrie, erfasste etwa<br />
35 000 Strömungspumpen mit bekannter Hydraulik [1].<br />
Dabei zeigte sich, dass der Anteil der Chemie-Norm-Pumpe<br />
bei etwa zwei Drittel liegt. Insgesamt weisen mehr als<br />
drei Viertel aller Pumpen e<strong>in</strong>e Leistung von weniger als<br />
15 kW auf. Die Pumpen werden zum größten Teil kont<strong>in</strong>uierlich<br />
betrieben. Während bei Neuanlagen die Drehzahlverstellung<br />
mittels Frequenzumrichter – üblicherweise<br />
ab e<strong>in</strong>er bestimmten Leistung (zum Beispiel 10 kW<br />
[2]) <strong>in</strong> Betracht gezogen – e<strong>in</strong>en ger<strong>in</strong>gen <strong>Energie</strong>bedarf<br />
verspricht, steckt <strong>in</strong> <strong>in</strong>stallierten <strong>Pumpensystemen</strong> e<strong>in</strong><br />
E<strong>in</strong>sparpotenzial, welches sich nur durch nachträgliche<br />
Modifikationen heben lässt; um dieses abzuschätzen,<br />
müssen der tatsächlich erforderliche Betriebspunkt und<br />
das Lastprofil ermittelt werden.<br />
Der Leistungsbedarf e<strong>in</strong>er Pumpe wird bestimmt durch<br />
den Betriebspunkt, das heißt Förderleistung und Systemdruck;<br />
letzterer setzt sich aus dem statischen und dynamischen<br />
Druckverlust sowie gegebenenfalls dem e<strong>in</strong>er<br />
Regelarmatur zusammen. Die Regelung <strong>in</strong> Anlagen erfolgt<br />
<strong>in</strong> erster L<strong>in</strong>ie mit Hilfe von Stellarmaturen, die angedrosselt<br />
werden (Drosselregelung). Liegt der tatsächliche<br />
Druckverlust des Systems unter dem, der berechnet worden<br />
ist, so muss die Regelarmatur e<strong>in</strong>en höheren Druckverlust<br />
erzeugen als eigentlich erforderlich wäre. Diese<br />
Differenz wird als vermeidbarer Druckverlust bezeichnet.<br />
Er resultiert aus Unsicherheiten bei der Anlagenplanung,<br />
wo zum Beispiel mit Widerstandsbeiwerten aus der Literatur,<br />
grob geschätzten Verläufen der Rohrleitungen gearbeitet<br />
werden muss; bei Pumpen s<strong>in</strong>d Toleranzen zu berücksichtigen.<br />
Dies führt zum Teil zu überhöhten Sicherheitszuschlägen,<br />
die sich aufgrund des Planungsablaufs<br />
im Allgeme<strong>in</strong>en später nicht mehr revidieren lassen; überdimensionierte<br />
Systeme s<strong>in</strong>d daher fast unvermeidlich.<br />
Der Druckverlust und damit der Leistungsbedarf e<strong>in</strong>es<br />
Systems lässt sich durch folgende Alternativen reduzieren:<br />
a | Anpassung der Pumpe, wobei der vermeidbare<br />
Druckverlust mehr oder weniger elim<strong>in</strong>iert wird,<br />
b | Änderung der Drehzahl der Pumpe, wobei gegebenenfalls<br />
e<strong>in</strong>e Drehzahlregelung implementiert wird.<br />
1. VERMEIDBARER DRUCKVERLUST<br />
Wenn die Pumpencharakteristik und die Leistungsaufnahme<br />
ermittelt werden, wofür der Markt verschiedene<br />
Messsysteme bietet, so lässt sich abschätzen, <strong>in</strong>wieweit<br />
der Förderstrom der Auslegung entspricht und ob die<br />
e<strong>in</strong>gesetzte Pumpe mit h<strong>in</strong>länglichem Wirkungsgrad<br />
arbeitet. Der vermeidbare Druckverlust des Systems lässt<br />
sich jedoch so nicht feststellen. Erst wenn dieser ermittelt<br />
ist, kann e<strong>in</strong> <strong>Energie</strong>e<strong>in</strong>sparpotenzial abgeschätzt<br />
und erschlossen werden.<br />
E<strong>in</strong> Weg dazu eröffnet sich – abgesehen von e<strong>in</strong>er<br />
meist wenig genauen Nachrechnung – falls es möglich<br />
ist, die Armatur, die die Drosselung bewirkt, voll zu öffnen;<br />
dabei kann es sich um e<strong>in</strong>e Hand- oder Regelarmatur<br />
handeln [3]. In der chemischen Industrie dürfte dieses<br />
Vorgehen allerd<strong>in</strong>gs nur <strong>in</strong> E<strong>in</strong>zelfällen möglich se<strong>in</strong>, da<br />
die Gefahr besteht, dass durch den damit verbundenen<br />
Anstieg des Durchflusses die Produktion beh<strong>in</strong>dert wird<br />
oder zusammenbricht. Erfolgt e<strong>in</strong> derartiger Versuch <strong>in</strong><br />
e<strong>in</strong>er nicht produzierenden Anlage, so kommt dem meist<br />
e<strong>in</strong>e nur ger<strong>in</strong>ge Aussagekraft zu. Es wird daher im Beitrag<br />
aufgezeigt, wie sich e<strong>in</strong> vermeidbarer Druckverlust<br />
<strong>in</strong> e<strong>in</strong>er laufenden Anlage ermitteln lässt, ohne dabei den<br />
Betrieb zu bee<strong>in</strong>trächtigen oder zu stören.<br />
1.1 Darstellung im H-Q-Diagramm<br />
Das Bild 1 zeigt e<strong>in</strong> e<strong>in</strong>faches Pumpensystem, wobei die<br />
Regelarmatur RV ihr Stellsignal von e<strong>in</strong>em Regler <strong>in</strong>nerhalb<br />
des Systems – hier vom Standregler LC – oder vom<br />
übergeordneten Prozess erhält. Sie drosselt den Durchfluss<br />
so weit an, dass der Soll-Förderstrom Q S erzielt<br />
wird. Der zu überw<strong>in</strong>dende Druck des Systems setzt sich<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013<br />
27
HAUPTBEITRAG<br />
zusammen aus der statischen Druckdifferenz, <strong>in</strong>klusive<br />
der geodätischen Höhe H g , und dem dynamischen Druckverlust<br />
sowie dem des Aktors.<br />
Der Betriebspunkt des Systems wird <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em H-Q-<br />
Diagramm dargestellt, siehe Bild 2. Den Ausgangspunkt<br />
bildet der berechnete Druckbedarf des Systems ohne<br />
Berücksichtigung der Regelarmaturen, das heißt Punkt<br />
B‘ beim Volllast-Soll-Durchfluss Q S . Dazu addiert sich<br />
der Druckverlust der Regelarmatur, was im Idealfall den<br />
Druck ergibt, den die Pumpe zu liefern hat, Punkt B.<br />
Dieser liegt auf der Pumpenkennl<strong>in</strong>ie H p = f (Q). (In vielen<br />
Fällen wird die Pumpe e<strong>in</strong>en etwas höheren Druck<br />
liefern als erforderlich ist, was e<strong>in</strong>e weitere Erhöhung<br />
des Druckverlusts der Regelarmatur erzw<strong>in</strong>gt.) S<strong>in</strong>kt nun<br />
der Druckverlust des Systems <strong>in</strong>folge der Überschätzung<br />
auf den Wert R’, der auf der tatsächlichen Druckverlaufskurve<br />
des Systems H oRV liegt, so muss die Regelarmatur<br />
die Druckdifferenz der Punkte B m<strong>in</strong>us R’ bewältigen.<br />
Diese Differenz enthält e<strong>in</strong>en vermeidbaren Druckverlust<br />
B’ m<strong>in</strong>us R’. Wird dieser vom Betriebspunkt B abgezogen,<br />
so ergibt sich der Punkt R, der um diesen Wert,<br />
das heißt ∆H V , unter dem ursprünglichen Punkt B liegt.<br />
R stellt somit den Auslegungspunkt e<strong>in</strong>er hypothetischen<br />
– das heißt e<strong>in</strong>er neuen oder modifizierten – Pumpe<br />
dar, die e<strong>in</strong>en entsprechend reduzierten Leistungsbedarf<br />
aufweist. Die Druckhöhe von B folgt aus der Druckmessung<br />
auf der Druckseite der Pumpe unter Berücksichtigung<br />
der statischen Druckverhältnisse am Messort<br />
und eventuell des Geschw<strong>in</strong>digkeitsterms. Für die Regelung<br />
steht also im Falle e<strong>in</strong>er Pumpe mit dem Arbeitspunkt<br />
R die Druckdifferenz R m<strong>in</strong>us R’ zur Verfügung.<br />
Diese deckt auch den Punkt R’’ ab, der sich ergibt, wenn<br />
der bleibende Druckverlust der voll geöffneten Regelarmatur<br />
(Widerstandsbeiwert ξ) zur Druckverlaufskurve<br />
des Systems H oRV addiert wird; letztere beg<strong>in</strong>nt beim<br />
Durchfluss Q = 0 mit der statischen Druckhöhe und<br />
steigt stetig an.<br />
1.2 Ermittlung<br />
Da die überdimensionierte Pumpe e<strong>in</strong>en zu hohen Druck<br />
liefert, muss die Regelarmatur ihren Hub auf e<strong>in</strong>en Wert<br />
reduzieren, der unter dem der Auslegung liegt, das heißt<br />
die Armatur drosselt stärker an als geplant. Aus dem Hub<br />
beziehungsweise dem k v -Wert am Betriebspunkt B lässt<br />
sich der tatsächliche Druckverlust der Regelarmatur bei Q S<br />
berechnen. Bei der Planung wird für diesen meist e<strong>in</strong> Erfahrungswert<br />
herangezogen. Wird die Differenz der beiden<br />
Werte angesetzt, so ergibt sich e<strong>in</strong> vermeidbarer Druckverlust,<br />
wobei die tatsächliche Druckverlaufskurve H oRV nicht<br />
bekannt se<strong>in</strong> muss. (Erfahrungswerte für den Druckverlust<br />
der Regelarmatur, wie 0,5–1 bar oder 10 % und mehr des<br />
dynamischen Druckverlusts des Systems, siehe zum Beispiel<br />
[4], bei e<strong>in</strong>em empirisch festgelegten Hub.)<br />
E<strong>in</strong> höherer Wert für den vermeidbaren Druckverlust<br />
ergäbe sich, wenn die Regelarmatur am Betriebspunkt R<br />
der hypothetischen Pumpe so weit geöffnet wäre, dass<br />
sich alle Regelschw<strong>in</strong>gungen gerade noch abdecken lassen,<br />
der Hub also gegen 100 % geht. Dieser Hub lässt sich<br />
im Betrieb ermitteln, falls der Regelarmatur e<strong>in</strong>e weitere<br />
Armatur vor- oder nachgeschaltet ist, und sich der Durchfluss<br />
messen lässt. Bild 3 stellt die Vorgehensweise schematisch<br />
dar: Während e<strong>in</strong> Handventil V2 angedrosselt<br />
wird, wird die Regelung die Regelarmatur V1 auffahren.<br />
Dabei muss der Durchfluss konstant gehalten werden,<br />
zum Beispiel mit Hilfe e<strong>in</strong>es anklemmbaren Messgeräts,<br />
Symbol FI (Leistungsaufnahme und pumpendruckseitiger<br />
Druck haben ebenfalls konstant zu bleiben.). Vom<br />
normalen Betrieb mit dem Hub h B fährt die Regelung die<br />
Armatur V1 auf den Hub h R . Die Werte für h B und h R lassen<br />
sich mehr oder weniger genau feststellen. Es wird<br />
also e<strong>in</strong> Teil des Druckverlusts der Regelarmatur V1 auf<br />
die Armatur V2 verlagert, wobei die Summe der Druckverluste<br />
von V1 und V2 konstant bleibt; so werden die<br />
Strömungsverhältnisse an V1 simuliert, die denen am<br />
Betriebspunkt R entsprechen (<strong>in</strong>kompressible Flüssigkeit).<br />
Da es meist relativ schwierig ist, Handarmaturen<br />
fe<strong>in</strong>fühlig zu drosseln, muss dazu eventuell für V2 e<strong>in</strong>e<br />
Art Untersetzungsgetriebe e<strong>in</strong>gesetzt werden.<br />
In der Regelungstechnik wird der Durchflusskoeffizient<br />
k V e<strong>in</strong>er Regelarmatur durch e<strong>in</strong>e dimensionsbehaftete<br />
Gleichung [4] def<strong>in</strong>iert. Aus dieser abgeleitet folgt<br />
bei konstantem Durchfluss Q S die Druckdifferenz zwischen<br />
den Hüben h B und h R ,<br />
(<br />
(<br />
ρ<br />
Δpv = Q S ² ∙ ∙ 1 – 1<br />
1000<br />
{<br />
[k v (h B )]² [k v (h R )]²<br />
{<br />
(1)<br />
Die Funktion k v = f (h) der jeweiligen Regelarmatur ist<br />
bekannt; hierzu stellt der Armaturenhersteller entweder<br />
genaue Daten bereit oder gibt die Art der Ventilcharakteristik<br />
und den k v -Wert der Ventilserie an. In jedem Fall<br />
müssen die Toleranzen Berücksichtigung f<strong>in</strong>den. Wird die<br />
<strong>in</strong> der Pumpentechnik gängige Druckhöhe <strong>in</strong> [m] Flüssigkeitssäule<br />
anstelle des Drucks benutzt, so führt dies zu:<br />
∆H V = ∆p v ∙<br />
100 000<br />
(g ∙ ρ) (2)<br />
Lässt sich die Druckdifferenz direkt messen, so erübrigt<br />
sich natürlich die Berechnung.<br />
1.3 Festlegung des Hubs der Regelarmatur<br />
Um das Maximum des vermeidbaren Druckverlusts zu<br />
erzielen, sollte die Regelarmatur beim Durchfluss Q S möglichst<br />
weit geöffnet se<strong>in</strong>; zugleich muss die Regelung aber<br />
noch alle Störungen problemlos ausregeln können; es gilt,<br />
das Spiel der Regelung abzudecken. Die beschriebene Vorgehensweise,<br />
das heißt die Verlagerung e<strong>in</strong>es Teils des<br />
Druckverlusts von der Regelarmatur V1 auf e<strong>in</strong>e Handarmatur<br />
V2, ermöglicht, den entsprechenden Hub h R bei<br />
laufendem Betrieb zu ermitteln ohne diesen zu stören:<br />
Da Q S der Durchfluss bei Volllast ist, könnte zum<br />
Beispiel bei e<strong>in</strong>em Hubventil e<strong>in</strong>e Öffnung beziehungsweise<br />
e<strong>in</strong> k V von 90 % genügen, um das Spiel<br />
der Regelung abzudecken [5], was im Betrieb verifiziert<br />
werden sollte.<br />
Aus den Betriebsprotokollen ergibt sich im Allgeme<strong>in</strong>en<br />
die Schwankungsbreite der Abweichungen<br />
vom Solldurchfluss Q S (und eventuell des Hubs),<br />
verursacht durch das Spiel der Regelung. Ebenso<br />
lässt sich feststellen, <strong>in</strong>wieweit Abweichungen <strong>in</strong>folge<br />
besonderer Betriebszustände, zum Beispiel<br />
beim Anfahren, aufgetreten s<strong>in</strong>d. Daraus ergibt sich<br />
der maximale Durchfluss Q Smax , von dem aus sich<br />
auf den Hub h R zurückrechnen lässt.<br />
28<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
Das genannte Procedere wird mehrfach angewendet,<br />
wobei der Hub der Regelarmatur <strong>in</strong> vorsichtigen<br />
Schritten erhöht und dabei das Regelverhalten beobachtet<br />
wird. So gel<strong>in</strong>gt es, sich an den maximal<br />
möglichen Hub h R bei Q S heranzutasten, der <strong>in</strong>folge<br />
der Regelschwankungen den maximalen Durchfluss<br />
Q Smax verlangt. (Gegebenenfalls werden Störungen<br />
aufgeprägt und e<strong>in</strong> Neutun<strong>in</strong>g des Reglers vorgenommen.)<br />
Auf diese Weise kommt e<strong>in</strong> relativ großer<br />
Hub zustande, womit sich e<strong>in</strong> erhebliches <strong>Energie</strong>e<strong>in</strong>sparpotenzial<br />
erschließen lässt.<br />
Wurde e<strong>in</strong> Hub h R – wie beschrieben – ermittelt und der<br />
entsprechende vermeidbare Druckverlust ∆H V errechnet,<br />
so def<strong>in</strong>iert dies den Betriebspunkt R, siehe Bild 2. Dieser<br />
ließe sich mit der hypothetischen Pumpe erzielen, wobei<br />
dann die Armatur V2 vollständig geöffnet se<strong>in</strong> muss.<br />
2. VERTEILUNGSSYSTEME<br />
E<strong>in</strong> Pumpensystem besitzt häufig parallele Stränge, die<br />
die Flüssigkeit auf mehrere Verbraucher verteilen. Dabei<br />
wird es Abschnitte geben, die vom gesamten Strom<br />
durchflossen werden sowie Stränge, <strong>in</strong> denen nur e<strong>in</strong><br />
Teilstrom fließt. E<strong>in</strong>er der Strömungswege mit se<strong>in</strong>em<br />
Strang wird den Druck bestimmen, den die Pumpe erzielen<br />
muss. E<strong>in</strong> typisches offenes Verteilungssystem<br />
stellt Bild 4 dar. Unmittelbar auf der Pumpendruckseite<br />
bef<strong>in</strong>det sich meist e<strong>in</strong> Manometer und es zweigt e<strong>in</strong><br />
By-Pass ab, der den M<strong>in</strong>destdurchfluss der Pumpe garantiert.<br />
Danach folgen e<strong>in</strong>e Rückschlagklappe und die<br />
druckseitige Absperrarmatur V2. Der druckverlustbestimmende<br />
Strang 1 führt vom Verzweigungspunkt VZ<br />
zum Verbraucher B1; <strong>in</strong> diesem Strang sitzt die Regelarmatur<br />
V1. Parallel dazu verläuft der Strang 2, der lediglich<br />
e<strong>in</strong> dynamisches Widerstandsglied aufweist, hier<br />
repräsentiert durch die Blende F. Besitzt der Strang 1<br />
ke<strong>in</strong>e geeignete Handarmatur, so wird für das geschilderte<br />
Procedere die üblicherweise vorhandene druckseitige<br />
Absperrarmatur V2 herangezogen und wie oben<br />
geschildert vorgegangen. Infolge des Androsselns dieser<br />
Armatur s<strong>in</strong>kt der Druck an der Verzweigungsstelle VZ;<br />
damit steht dem Strang 2 e<strong>in</strong>e ger<strong>in</strong>gere Druckdifferenz<br />
zur Verfügung. Es besteht daher die Gefahr, dass e<strong>in</strong><br />
derartiger Strang nicht mehr den bestimmungsgemäßen<br />
Durchfluss erzielt. Diese Gefahr besteht auch dann, wenn<br />
später e<strong>in</strong>e Pumpe e<strong>in</strong>gesetzt wird, die e<strong>in</strong>en Betriebspunkt<br />
R mit reduzierter Druckhöhe aufweist.<br />
3. ANPASSUNG DES LAUFRADS<br />
3.1 Abdrehen<br />
Um e<strong>in</strong>en vorgegebenen Betriebspunkt zu erzielen, wird<br />
das Laufrad von Zentrifugalpumpen aus zerspanbarem<br />
Werkstoff meist bereits herstellerseitig abgedreht, das<br />
heißt im Durchmesser reduziert. Diese Anpassung – vorwiegend<br />
bei Radialkreiselpumpen – stellt e<strong>in</strong>e leicht<br />
durchführbare Maßnahme dar. Mit Hilfe der Literatur<br />
oder den Unterlagen des Herstellers lässt sich der reduzierte<br />
Durchmesser e<strong>in</strong>fach ermitteln. Bei mehrstufigen<br />
Kreiselpumpen lassen sich Bl<strong>in</strong>dräder anstelle aktiver<br />
Laufräder montieren. In manchen Fällen kann es s<strong>in</strong>nvoll<br />
se<strong>in</strong>, e<strong>in</strong>e neue Pumpe e<strong>in</strong>zusetzen. Bei Kreiselpumpen<br />
mit hoher Leistung, die häufig e<strong>in</strong>e höhere spezifische<br />
Drehzahl aufweisen, gestaltet sich e<strong>in</strong>e Anpassung<br />
meist aufwendig und ist kaum s<strong>in</strong>nvoll.<br />
Bei Verteilungssystemen ist es wichtig, zu beachten, dass<br />
durch die reduzierte Druckhöhe e<strong>in</strong>er modifizierten Pumpe<br />
die zuvor erwähnte Gefahr besteht, dass Stränge ohne<br />
Regelungen, das heißt nur mit dynamischen Widerstandsgliedern,<br />
nicht ihren erforderlichen Durchfluss erzielen.<br />
3.2 Ermittlung des maximalen Durchflusses<br />
Wäre die Pumpenkennl<strong>in</strong>ie der Pumpe (Bild 2) mit dem<br />
ursprünglichen Laufrad nur <strong>in</strong> den Punkt R verschoben,<br />
so würde die Regelarmatur V1 wie im Betriebsversuch<br />
arbeiten. Wegen der Verschiebung des Betriebspunkts<br />
von B nach R sowie des s<strong>in</strong>kenden Laufraddurchmessers<br />
ist die Pumpenkennl<strong>in</strong>ie durch R jedoch meist etwas<br />
stärker gekrümmt; dies hat zur Folge, dass beim Überschw<strong>in</strong>gen<br />
der Regelarmatur, das heißt über Q S h<strong>in</strong>aus,<br />
BILD 2: H-Q-Diagramm<br />
e<strong>in</strong>es Pumpensystems<br />
mit den Betriebspunkt B<br />
bei überdimensionierter<br />
Pumpe und dem Punkt R<br />
bei vermeidbarem<br />
Druckverlust ∆H V<br />
BILD 1: E<strong>in</strong>faches Pumpensystem mit Drosselregelung;<br />
geodätische Höhe Hg plus Druckdifferenz<br />
(p2-p1) ergibt statische Druckdifferenz.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013<br />
29
HAUPTBEITRAG<br />
BILD 3: Vorgehensweise zur Ermittlung<br />
des vermeidbaren Druckverlusts<br />
mit Hilfe e<strong>in</strong>er Regelarmatur<br />
BILD 4: Typisches Verteilungssystem, Strang 1 geregelt, Strang 2<br />
ohne Regelung, nur mit dynamischem Strömungswiderstand<br />
sich die verfügbaren Druckdifferenzen leicht reduzieren.<br />
Wurde durch Herantasten e<strong>in</strong>e relativ große Öffnung der<br />
Regelarmatur erreicht und die dabei auftretenden<br />
Schwankungen des Durchflusses ermittelt, so muss sichergestellt<br />
werden, dass der zugehörige maximale<br />
Durchfluss Q Smax durch die angepasste Pumpe erzielt<br />
beziehungsweise etwas übertroffen werden kann. Wird<br />
e<strong>in</strong>e neue kle<strong>in</strong>ere Pumpe e<strong>in</strong>gesetzt, so versteht sich<br />
diese Berechnung von selbst.<br />
Es gilt daher zu ermitteln, welchen maximalen Durchfluss<br />
die voll geöffnete Regelarmatur erlaubt. Dazu wird aus dem<br />
K V100 - beziehungsweise K VS -Wert der Regelarmatur deren<br />
Widerstandsbeiwert bei voller Öffnung mit Hilfe der dimensionsbehafteten<br />
Beziehung berechnet, hier mit d <strong>in</strong> cm:<br />
1,620 π² d<br />
ξ = 4<br />
=<br />
(K VS )²<br />
16 d 4<br />
(K VS )² (3)<br />
Der daraus resultierende Druckverlustterm wird zu<br />
der Druckverlaufskurve H oRV addiert. Der Schnittpunkt<br />
mit der Pumpenkennl<strong>in</strong>ie der modifizierten Pumpe<br />
ergibt den maximalen Durchfluss, der sich jetzt erzielen<br />
lässt. H oRV kann mit Hilfe der beiden bekannten Punkte,<br />
R‘ und der statischen Druckhöhe, abgeschätzt werden;<br />
s<strong>in</strong>nvoll ist es aber, mehrere Punkte zu ermitteln. Dabei<br />
ist zu beachten, dass im Falle e<strong>in</strong>es Verteilungssystems<br />
die Druckverlustkurve des maßgeblichen Strömungswegs<br />
H oRV auch bei voll turbulenter Strömung nicht<br />
notwendigerweise e<strong>in</strong>er e<strong>in</strong>fachen Parabel entspricht.<br />
Die Gleichung (3) zeigt, dass sich mit e<strong>in</strong>er widerstandsarmen<br />
Regelarmatur der Durchfluss erhöhen lässt,<br />
was durch e<strong>in</strong>en Austausch der Armatur oder der Sitzgarnitur<br />
geschehen kann. Auf diese Weise vergrößert sich bei<br />
e<strong>in</strong>er Pumpe mit dem Betriebspunkt R der maximal erzielbare<br />
Durchfluss Q Smax im Vergleich zu dem der <strong>in</strong>stallierten<br />
Regelarmatur noch etwas. Der E<strong>in</strong>fluss dieser Maßnahme<br />
ist meist nicht allzu groß; er hängt von den gewählten<br />
Parametern am Betriebspunkt sowie der Pumpenkennl<strong>in</strong>ie<br />
und der Druckverlaufskurve des Systems ab. Ferner<br />
ist zu beachten, dass Regelarmaturen, <strong>in</strong>sbesondere bei<br />
gleichprozentiger Charakteristik, nahe der vollständigen<br />
Öffnung Probleme bezüglich der Stabilität aufwerfen können.<br />
E<strong>in</strong>e modifizierte Charakteristik schafft hier Abhilfe.<br />
4. DREHZAHLVERSTELLUNG<br />
Der Betriebspunkt R lässt sich auch erreichen, <strong>in</strong>dem die<br />
Drehzahl der Pumpe verr<strong>in</strong>gert wird. Besitzt diese e<strong>in</strong><br />
mechanisches Getriebe, so ist e<strong>in</strong>e neue Festdrehzahl<br />
meist unkompliziert e<strong>in</strong>stellbar.<br />
Wird e<strong>in</strong>e elektronische Drehzahlverstellung mit Hilfe<br />
e<strong>in</strong>es Frequenzumformers gewählt, so lässt sich die<br />
Drosselregelung vielfach vollständig durch e<strong>in</strong>e Drehzahlregelung<br />
ersetzen, was die <strong>Energie</strong>e<strong>in</strong>sparung vergrößert.<br />
Dies führt zum Betriebspunkt R’ <strong>in</strong> Bild 2. In<br />
e<strong>in</strong>em bestehenden System kann das Lastprofil gemessen<br />
werden, was die Wirtschaftlichkeit dieser Nachrüstungsmaßnahme<br />
wesentlich bestimmt. Aber selbst bei<br />
manchen, stark unterschiedlichen Betriebsfällen – wie<br />
zum Beispiel periodisches Fördern aus e<strong>in</strong>em Tank sowie<br />
Umwälzen des Tank<strong>in</strong>halts – ist nicht unbed<strong>in</strong>gt<br />
der E<strong>in</strong>satz e<strong>in</strong>er Drehzahlverstellung s<strong>in</strong>nvoll; hier<br />
genügt häufig e<strong>in</strong>e sorgfältige Planung und Inbetriebnahme.<br />
5. VERGLEICH<br />
E<strong>in</strong>e Entscheidung zwischen den Alternativen a) und b)<br />
erfolgt im Allgeme<strong>in</strong>en auf Grund e<strong>in</strong>er Wirtschaftlichkeitsbetrachtung,<br />
basierend auf den jeweiligen Investitions-<br />
und Betriebskosten. Für die Drehzahlregelung<br />
f<strong>in</strong>den sich Richtwerte für den Umformer von 100–200 €<br />
pro kW Pumpenleistung und Installationskosten von<br />
etwa 2000 € je Pumpene<strong>in</strong>heit [6]. Allerd<strong>in</strong>gs sche<strong>in</strong>en<br />
hierbei Ingenieurkosten und die Belange der chemischen<br />
Industrie [2], das heißt <strong>in</strong> erster L<strong>in</strong>ie die Erfordernisse<br />
bezüglich des Explosionsschutzes, sowie die E<strong>in</strong>b<strong>in</strong>dung<br />
<strong>in</strong> e<strong>in</strong> Prozessleitsystem nicht berücksichtigt worden zu<br />
se<strong>in</strong>. Im Falle, dass die gleiche Funktionalität wie bei<br />
der Drosselregelung erforderlich ist, dürften zudem die<br />
Kosten für die Umstellung e<strong>in</strong>es Systems auf e<strong>in</strong>e Drehzahlregelung<br />
deutlich steigen, zum Beispiel bei e<strong>in</strong>er<br />
Absperrung zu Verbrauchern. Da e<strong>in</strong> Großteil der Pumpensysteme<br />
e<strong>in</strong>e <strong>in</strong>stallierte Reservepumpe besitzt (etwa<br />
80 % nach [1]), kommen gegebenenfalls Kosten für das<br />
30<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
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Umrüsten des Systems h<strong>in</strong>zu. Der Verzicht auf e<strong>in</strong>e<br />
Reservepumpe ist aber kaum möglich, da – sachgerechte<br />
Auslegung vorausgesetzt – bei der Drossel- und<br />
bei der Drehzahlregelung prozessseitig die gleichen<br />
Probleme auftreten werden; darüber h<strong>in</strong>aus erhöht<br />
der Umrichter tendenziell die Ausfallwahrsche<strong>in</strong>lichkeit<br />
ger<strong>in</strong>gfügig.<br />
Die Kosten für die Laufradanpassung betragen bis<br />
zu 1000 € pro Pumpe [6]. Das Anpassen des Laufrads<br />
oder die Installation e<strong>in</strong>er kle<strong>in</strong>eren Pumpe gestaltet<br />
sich dann kostenmäßig besonders vorteilhaft, wenn<br />
dies im Rahmen von Wartungs- oder Reparaturarbeiten<br />
geschieht. Es ist s<strong>in</strong>nvoll, die Reservepumpe mit<br />
e<strong>in</strong>em Orig<strong>in</strong>allaufrad zu versehen, sodass im Notfall<br />
darauf zurückgegriffen werden kann, falls der Durchfluss<br />
erhöht werden soll.<br />
Mit den genannten Kosten und unter Berücksichtigung<br />
der Erfordernisse der chemischen Industrie<br />
wurden die Lebenszykluskosten für die Nachrüstung<br />
e<strong>in</strong>es Pumpensystems ausgerechnet. Dem Beispiel<br />
lag e<strong>in</strong> Pumpen-Leistungsbedarf von etwa<br />
12 kW und e<strong>in</strong> Betriebsbereich nahe dem Auslegungsdurchfluss<br />
zugrunde. Es zeigte sich, dass das<br />
Abdrehen im Vergleich zur Drehzahlregelung die<br />
wirtschaftlich günstigere Alternative darstellt; dies<br />
gilt, obwohl zusätzliche Kosten des Umrichterbetriebs,<br />
wie höherer Schaltraumkühlungsbedarf, höhere<br />
Ingenieurleistungen, Instandhaltungskosten<br />
ausgeklammert wurden. Dies bestätigt e<strong>in</strong> ähnliches<br />
Beispiel [7], wobei dort auf die Ermittlung des vermeidbaren<br />
Druckverlusts nicht e<strong>in</strong>gegangen wurde.<br />
Andererseits kann sich die Nachrüstung mit e<strong>in</strong>er<br />
Drehzahlregelung bei etwas höherem Leistungsbedarf<br />
und e<strong>in</strong>igen Vere<strong>in</strong>fachungen als wirtschaftlich<br />
erweisen, wobei dies <strong>in</strong> erster L<strong>in</strong>ie vom Lastprofil<br />
abhängt [8].<br />
Bei kle<strong>in</strong>er Leistung ersche<strong>in</strong>t es somit s<strong>in</strong>nvoll,<br />
das <strong>Energie</strong>e<strong>in</strong>sparpotenzial <strong>in</strong>stallierter Pumpensysteme<br />
durch Anpassung der Pumpe <strong>in</strong>s Auge zu<br />
fassen, siehe auch [2]; dies gilt <strong>in</strong>sbesondere, wenn<br />
sich die Abweichungen vom Auslegungsdurchfluss<br />
<strong>in</strong> Grenzen halten. Es ist selbstverständlich erforderlich,<br />
den E<strong>in</strong>zelfall zu betrachten, da Gesamt<strong>in</strong>vestitionskosten,<br />
Leistungsbedarf und Lastprofil und unternehmensspezifische<br />
Faktoren wie Lebenszykluszeit,<br />
Diskontsatz und <strong>Energie</strong>kosten die Wirtschaftlichkeit<br />
wesentlich bestimmen.<br />
Abgesehen von der Höhe des Leistungsbedarfs und<br />
der Gestalt des Lastprofils lässt sich qualitativ sagen,<br />
dass sich die Drehzahlregelung von Kreiselpumpen<br />
bei Nachrüstung und bei e<strong>in</strong>er Neuanlage umso<br />
günstiger gestaltet, je<br />
steiler die Pumpenkennl<strong>in</strong>ie abfällt<br />
(Pumpen höherer spezifischer Drehzahl),<br />
höher der dynamische Anteil am druckverlustbestimmenden<br />
Strömungsweg liegt<br />
(geschlossene Systeme),<br />
flacher beziehungsweise steiler fallend die<br />
Leistungsaufnahme über dem Förderstrom<br />
verläuft (ebenfalls Pumpen höherer<br />
spezifischer Drehzahl),<br />
höher die Kosten e<strong>in</strong>er Regelarmatur liegen<br />
(teurer Werkstoff; nur bei Neuanlage).<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> ersche<strong>in</strong>t <strong>in</strong> der DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München<br />
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HAUPTBEITRAG<br />
FAZIT<br />
Der aus e<strong>in</strong>er Überdimensionierung e<strong>in</strong>er Strömungspumpe<br />
resultierende vermeidbare Druckverlust e<strong>in</strong>es <strong>geregelten</strong><br />
Pumpensystems lässt sich im laufenden Betrieb e<strong>in</strong>er<br />
Anlage ermitteln; dabei muss bei e<strong>in</strong>em Verteilungssystem<br />
die Regelarmatur im druckverlustbestimmenden<br />
Strömungsweg liegen. Schon e<strong>in</strong> Rückgriff auf die ursprünglichen<br />
Auslegungsdaten der Regelarmatur kann<br />
die Basis für e<strong>in</strong>e E<strong>in</strong>sparung durch e<strong>in</strong>e Reduktion des<br />
Leistungsbedarfs der Pumpe se<strong>in</strong>, beispielsweise durch<br />
Abdrehen des Laufrads. Werden Daten aus dem Betrieb<br />
im Detail analysiert und darüber h<strong>in</strong>aus Betriebsversuche<br />
gemacht, so kann dies die Grundlage für die größtmögliche<br />
E<strong>in</strong>sparung bilden; diese Betriebsversuche lassen sich<br />
durchführen, ohne den Betrieb zu bee<strong>in</strong>flussen oder zu<br />
stören. Sie zielen darauf ab, den maximalen Hub der Regelarmatur<br />
zu ermitteln, der noch sicher das Spiel der<br />
Regelung abdeckt. Dies führt zum maximalen E<strong>in</strong>sparpotenzial<br />
e<strong>in</strong>er angepassten Pumpe. Aus Daten des Betriebs<br />
lässt sich ebenso das E<strong>in</strong>sparpotenzial e<strong>in</strong>er Drehzahlregelung<br />
herleiten, was es erlaubt, Nachrüstmaßnahmen<br />
unter wirtschaftlichen Aspekten zu vergleichen.<br />
In allen Fällen ist e<strong>in</strong>e enge <strong>in</strong>terdiszipl<strong>in</strong>äre Zusammenarbeit<br />
notwendig; für die Messungen im Betrieb s<strong>in</strong>d<br />
<strong>in</strong> erster L<strong>in</strong>ie der MSR-Betriebs<strong>in</strong>genieur und das Betriebspersonal<br />
zuständig. Die Auswertung und die Errechnung<br />
der Daten für die Modifikation der Pumpe erfolgt<br />
dann durch den Prozess<strong>in</strong>genieur und/oder die<br />
Fachleute für Pumpen.<br />
MANUSKRIPTEINGANG<br />
24.03.2013<br />
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />
FORMELZEICHEN<br />
AUTOR<br />
d Durchmesser Rohrleitung/Armatur [cm/m]<br />
h relativer Hub [-]<br />
H Druckhöhe [m]<br />
HoRV Druckverlustverlauf System ohne Regelarmatur [m]<br />
kV Durchflusskoeffizient Regelarmatur [m³/h]<br />
HP Pumpenkennl<strong>in</strong>ie<br />
KVS nom<strong>in</strong>aler Durchflusskoeffizient Regelarmatur [m³/h]<br />
p Druck [bar]<br />
Q Durchfluss [m³/h]<br />
∆H Differenzdruckhöhe [m]<br />
∆p Differenzdruck [bar]<br />
ρ Dichte [kg/m³]<br />
ξ Widerstandsbeiwert [-]<br />
Indici:<br />
B Betrieb<br />
g geodätisch<br />
R reduziert<br />
S am Auslegungs-/maximalen Betriebspunkt<br />
Smax maximaler Wert <strong>in</strong>folge der Regelung<br />
V Verlust (unnötiger)<br />
Dr.-Ing. WALTER SCHICKE-<br />
TANZ (geb. 1941), Studium<br />
der Verfahrenstechnik an der<br />
TU München. Nach externer<br />
Tätigkeit dort Promotion und<br />
E<strong>in</strong>tritt <strong>in</strong> e<strong>in</strong> <strong>in</strong>ternationales<br />
Unternehmen der Chemischen<br />
Industrie. Vorwiegend<br />
<strong>in</strong> der Projektierung von<br />
Chemieanlagen im In-und Ausland tätig sowie<br />
Management e<strong>in</strong>er E<strong>in</strong>heit zur Projektierung von<br />
Anlagen für e<strong>in</strong> Produktsegment. Nach Pensionierung<br />
Beratertätigkeit sowie Mitarbeit bei<br />
Pumpenfach<strong>in</strong>igenieur GmbH.<br />
Pumpenfach<strong>in</strong>genieur GmbH,<br />
Walter Schicketanz,<br />
Heubergstr. 11, D-83026 Rosenheim,<br />
Tel. +49 (0) 8031 797 72 97,<br />
E-Mail: cuw22schicketanz@hotmail.de<br />
REFERENZEN<br />
[1] Kollmar, D., Heller, T., Kohlmann, B.: Abschlussbericht des<br />
Verbundprojekts Zuverlässigkeitsprognose von mechatronischen<br />
Systemen zur Ableitung restnutzungsdauerbezogener<br />
Betriebs- und Instandhaltungsstrategien, 2010. http://www.<br />
iml.fraunhofer.de/content/dam/iml/de/documents/OE%20<br />
240/10-12-20_ReMa<strong>in</strong>_Abschlussbericht_f<strong>in</strong>al.pdf<br />
[2] Bieniek, K..: Elektrische Antriebe <strong>in</strong> der Verfahrenstechnik,<br />
S.76 ff.. VDI 2006<br />
[3] Schicketanz, W.: Reduc<strong>in</strong>g avoidable pressure loss. World<br />
Pumps 2011(532), S 18-21. Jan. 2011,<br />
[4] Strohrmann, G.: Automatisierung verfahrenstech nischer<br />
Prozesse. Oldenbourg Industrieverlag 2002<br />
[5] Yu, F.: Allowable liquid control valve pressure drops.<br />
Hydrocarbon Process<strong>in</strong>g 86, S.107-113, July 2007<br />
[6] Beer, M. et al.: CO2-Verm<strong>in</strong>derung <strong>in</strong> Deutschland,<br />
Teil II – Umwandlung und Industrie, S.123-124.<br />
FfE-Forschungsstelle 2009<br />
[7] Europump/Hydraulic Institute: Pump Life Cycle Costs,<br />
Executive Summary, S.12, 2000.<br />
[8] Lehrmann, C.: Nachrüstung von Frequenzumrichtern<br />
– <strong>Energie</strong>sparpotentiale zum Antrieb von Strömungsmasch<strong>in</strong>en<br />
<strong>in</strong> der chemischen Industrie. <strong>atp</strong> – Automatisierungstechnische<br />
Praxis 51(3), S. 22-28, 2009<br />
32<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
Der Klassiker für die<br />
Prozessautomation geht<br />
<strong>in</strong>s 21. Jahrhundert<br />
Industrielle Informationssicherheit<br />
Gereviewte Beiträge aus dem Automatisierungsfachtitel <strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
s<strong>in</strong>d unter dem Schwerpunkt „Industrielle Informationssicherheit“ neu<br />
zusammen gestellt worden. Praxisrelevante Maßnahmen zur Umsetzung<br />
aktueller Normen und Leitfäden sicherer Kommunikation <strong>in</strong> der<br />
Industrie geben den aktuellen Stand der Wissenschaft wieder.<br />
Hrsg.: Leon Urbas<br />
1. Auflage 2014<br />
96 Seiten, farbig, Broschur<br />
ISBN: 978-3-8356-7113-3<br />
Preis: € 59,–<br />
www.di-verlag.de<br />
Das Buch ersche<strong>in</strong>t im DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München<br />
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Industrielle Informationssicherheit<br />
1. Auflage 2014 – ISBN: 978-3-8356-7113-3 für € 59,– (zzgl. Versand)<br />
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vom DIV Deutscher Industrieverlag oder vom Vulkan-Verlag per Post, per Telefon, per Telefax, per E-Mail, nicht über <strong>in</strong>teressante, fachspezifische Medien und Informationsangebote <strong>in</strong>formiert und beworben werde.<br />
Diese Erklärung kann ich mit Wirkung für die Zukunft jederzeit widerrufen.
HAUPTBEITRAG<br />
Standardprofile für<br />
elektrische Geräte<br />
E<strong>in</strong> IEC 61131-Funktionsbauste<strong>in</strong>konzept<br />
Moderne Prozessleitsysteme (PLS) erlauben es, branchen- und kundenspezifische Automatisierungslösungen<br />
anzubieten. Entsprechend vielfältig s<strong>in</strong>d die Möglichkeiten, Motoransteuerungen<br />
anwendungs- und kundenspezifisch <strong>in</strong> diese PLS zu <strong>in</strong>tegrieren. Dies<br />
umfasst unzählige Varianten der Geräteparametrisierung und unterschiedliche Def<strong>in</strong>itionen<br />
des zyklischen Prozessabbildes und der Laufzeitüberwachung der elektrischen Geräte.<br />
Dieser Beitrag präsentiert e<strong>in</strong>en Ansatz, wie sich die Geräte<strong>in</strong>tegration vere<strong>in</strong>fachen<br />
lässt, <strong>in</strong>dem er Motorsteuerung und Gerätediagnose vere<strong>in</strong>heitlicht aus Sicht der PLS-<br />
Applikationen beschreibt. Die Praxistauglichkeit wurde mit e<strong>in</strong>er prototypischen Implementierung<br />
verifiziert.<br />
SCHLAGWÖRTER IEC 61131-Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g / Objektorientierte Profilbildung / Generalisierte<br />
Motoransteuerung<br />
Model-based eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g with standard actor profiles –<br />
Efficient creation of IEC 61131 function libraries<br />
Process control systems (PCS) now make it possible to offer <strong>in</strong>dustry and customer specific<br />
solutions. There are many ways to <strong>in</strong>tegrate motor control <strong>in</strong>to the PCS, <strong>in</strong>clud<strong>in</strong>g<br />
device parameterization, the def<strong>in</strong>ition of cyclic process image, and watchdog tim<strong>in</strong>g.<br />
This article presents an approach to simplify<strong>in</strong>g device <strong>in</strong>tegration by motor control and<br />
device diagnosis from the PCS-application po<strong>in</strong>t of view. The viability of this approach<br />
was demonstrated for a prototype implementation.<br />
KEYWORDS electrical <strong>in</strong>tegration / process control / connectivity profiles / alarm<strong>in</strong>g and<br />
sequence of events<br />
34<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
JÜRGEN GREIFENEDER, DIRK SCHULZ, PABLO RODRIGUEZ, ABB Forschungszentrum<br />
Die Integration von elektrischen Geräten <strong>in</strong> Leitsysteme<br />
erfordert immer mehr Zeit. Dies liegt<br />
an der zunehmenden Komplexität der Geräte<br />
und an der Vielfalt von branchen- und kundenspezifischen<br />
Lösungen. Die Anpassungen reichen<br />
von speziellen Bedienelementen über die Auswahl<br />
anzuzeigender Information bis h<strong>in</strong> zur Parametrisierung<br />
der Geräte sowie der IEC 61131 [1] Motorsteuerblöcke und<br />
leztlich der Ansteuerung der elektrischen Geräte durch<br />
e<strong>in</strong> def<strong>in</strong>iertes Prozessabbild (Bild 1). Die im Beitrag betrachteten<br />
Geräteklassen umfassen das Spektrum von<br />
Motorstartern, über Sanftanlasser, Breaker und Frequenzumrichter,<br />
bis zu Niederspannungsschaltanlagen.<br />
Das Branchensegment und der Kunde bee<strong>in</strong>flussen<br />
erheblich die Komplexität, da projektspezifische Ausprägungen<br />
der Motorsteuerung, wie Design und Inhalt der<br />
Bedienoberflächen zu berücksichtigen s<strong>in</strong>d. Dementsprechend<br />
wird <strong>in</strong> Bild 1 zwischen branchenspezifischen<br />
und kundenspezifischen Funktionsbauste<strong>in</strong>en unterschieden.<br />
H<strong>in</strong>zu kommen gerätespezifische Steueranwendungen,<br />
wie Logikverschaltungen. Die zugehörigen<br />
Variablensätze gehen <strong>in</strong> die Tausende und betreffen die<br />
Bereiche Steuerung, Bedienung, Status, Messwerte,<br />
Feedback und Optimierung der Motoransteuerung.<br />
Bild 2 zeigt anhand e<strong>in</strong>er pr<strong>in</strong>zipiellen Abschätzung,<br />
dass durch Anzahl der Branchensegmente n mal Anzahl<br />
der Geräteklassen k (Motorstarter, Sanftanlasser, Frequenzumrichter,<br />
Niederspannungsschaltanlagen) mal<br />
Anzahl der Gerätehersteller m e<strong>in</strong> Komplexitätsgrad entsteht,<br />
der mitverantwortlich ist für steigende Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>gkosten.<br />
Je Branchensegment f<strong>in</strong>det man häufig e<strong>in</strong>e<br />
eigene Schicht, welche durch die Anfertigung branchenspezifischer<br />
Funktionsbibliotheken gekennzeichnet ist<br />
und den Zweck hat, die Komplexität beim Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g<br />
zu reduzieren. Dieser Vorteil beim späteren Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g<br />
verursacht jedoch e<strong>in</strong>en deutlich erhöhten Komplexitätsgrad<br />
bei der Wartung der Bibliotheken.<br />
Es überrascht dabei wenig, dass bei verschiedenen<br />
Umsetzungen selbst die gleichen Signale unterschiedliche<br />
Bezeichner besitzen, unterschiedliche Wertebereiche<br />
und Skalierungen aufweisen (zum Beispiel Prozent<br />
e<strong>in</strong>es an anderer Stelle parametrierten Wertebereichs<br />
oder direkt die physikalische E<strong>in</strong>heit) oder unterschiedliche<br />
Herkunft sowie unterschiedliche Abonnenten besitzen.<br />
Und sie werden auf unterschiedlichen Kanälen,<br />
mit unterschiedlicher Priorität sowie unterschiedlicher<br />
Abtastrate beziehungsweise Zugriffsverfahren abgefragt<br />
und bereitgestellt.<br />
Die Vielzahl der Lösungen geht also auf berechtigte<br />
branchen- und projektspezifische Unterschiede zurück<br />
und auf e<strong>in</strong>e fehlende Abstimmung zwischen den Geräteherstellern,<br />
Anbietern von Prozessleitsystemen und<br />
den Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Unternehmen. E<strong>in</strong> weiteres Problem<br />
entsteht daraus, dass für das Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g von heute Hersteller<br />
und Typ des elektrischen Geräts im Detail feststehen<br />
müssen und erst dann mit den eigentlichen Arbeitsschritten<br />
begonnen werden kann. Das bedeutet, dass e<strong>in</strong>e<br />
spätere Änderung des Gerätetyps oder Gerätelieferanten<br />
aufwendige Nacharbeiten zur Folge hat.<br />
Die hieraus resultierenden Unterschiede bei den Implementierungen<br />
bee<strong>in</strong>flussen zunehmend die spätere<br />
Austauschbarkeit, den Wartungsaufwand und die Möglichkeiten<br />
der Weiterentwicklung.<br />
Der Wunsch, zum<strong>in</strong>dest die Geme<strong>in</strong>samkeiten zu standardisieren,<br />
ist verständlich, wenn auch leichter ausgesprochen<br />
als realisiert. Der Beitrag setzt sich daher mit<br />
der Frage ause<strong>in</strong>ander, wie e<strong>in</strong>e vere<strong>in</strong>heitlichte, profilbasierte<br />
Verb<strong>in</strong>dung zwischen den <strong>in</strong> GSD Markup Language<br />
(GSDML, [2]) repräsentierten Gerätebeschreibungen<br />
und der zugehörigen, <strong>in</strong> IEC 61131 implementierten,<br />
anwendungsspezifischen Logik aussehen kann. Die zugehörigen<br />
Gerätebeschreibungen können dabei direkt<br />
den vorgeschlagenen Profilen folgen. Andernfalls ist<br />
e<strong>in</strong>e explizite Mapp<strong>in</strong>g-Schicht erforderlich, mittels welcher<br />
die IEC 61131-Profilvariablen direkt Variablen des<br />
Geräts zugeordnet werden können.<br />
Moderne Geräte stellen neben den zur Steuerung und<br />
Überwachung benötigten Signalen e<strong>in</strong>e Vielzahl an diagnose-<br />
und wartungsbezogener Information zur Verfügung,<br />
welche den Empfängern <strong>in</strong> möglichst selbsterklärender,<br />
aber nicht überbordender Form zur Verfügung<br />
stehen soll. Hierbei lassen sich ähnliche Vere<strong>in</strong>heitli-<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013<br />
35
HAUPTBEITRAG<br />
chungen treffen, wie für die IEC 61131-Variablen, wobei<br />
es Informationsempfänger mit stark divergentem Informationsbedarf<br />
gibt.<br />
Ziel der vorgestellten Vere<strong>in</strong>heitlichung ist es, dass<br />
unabhängig von den tatsächlich verwendeten Motorstartern<br />
und deren jeweiligen Herstellern<br />
IEC 61131-Motorsteuerungen erstellt werden können,<br />
Anlagenfahrer <strong>in</strong>nerhalb e<strong>in</strong>er Branche dieselbe<br />
Visualisierung und Datenstruktur verwenden,<br />
Alarme, Fehler und Warnmeldungen stets <strong>in</strong> derselben<br />
Weise und mit denselben Beschreibungen angezeigt<br />
werden,<br />
Dem Anlagenfahrer nur so viel Information angezeigt<br />
wird, wie er benötigt. Für se<strong>in</strong>e Arbeit ist es<br />
zum Beispiel weder erforderlich, zu wissen, welcher<br />
Motortyp sich h<strong>in</strong>ter e<strong>in</strong>em Motorensymbol verbirgt,<br />
noch welche E<strong>in</strong>zelvorgänge sich <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Gruppenalarm<br />
verbergen.<br />
1. BESTEHENDE PROFILE UND STANDARDS<br />
Selbstverständlich gibt es heute schon e<strong>in</strong>e Vielzahl von<br />
standardisierten Profilen, wie <strong>in</strong> [6, 7, 8, 9] behandelt.<br />
Diese beschreiben – <strong>in</strong> meist sehr hohem Detailgrad – die<br />
technische Umsetzung für Teillösungen, wie beispielsweise<br />
die Kommunikation zwischen Gerät und Feldbusmaster/IO-Controller.<br />
Sie beschreiben jedoch im Allgeme<strong>in</strong>en<br />
nicht, wie sich verschiedene Standards mite<strong>in</strong>ander<br />
zu e<strong>in</strong>em Gesamtsystem <strong>in</strong>tegrieren lassen. Zwei<br />
Gesamtlösungen, welche jeweils mehrere Standards<br />
umsetzen, werden die Integration der e<strong>in</strong>zelnen Standards<br />
untere<strong>in</strong>ander verschieden lösen, das heißt auf<br />
nicht austauschbare Art und Weise. Des Weiteren s<strong>in</strong>d<br />
Profilstandards und konkrete Lösungen zu e<strong>in</strong>em gewissen<br />
Grad abhängig von den Protokolldiensten des verwendeten<br />
Feldbusstandards, zum Beispiel jene zur Übertragung<br />
von Alarmen.<br />
E<strong>in</strong>e spezielle Herausforderung stellt hierbei Information<br />
dar, welche nur <strong>in</strong> Profilstandards oder Herstellerhandbüchern,<br />
nicht aber masch<strong>in</strong>enlesbar <strong>in</strong> Gerätebeschreibungen<br />
(Prof<strong>in</strong>et GSD, Gerätestammdatei) enthalten<br />
ist. Dies stellt jedoch ke<strong>in</strong> wesentliches Problem dar,<br />
da der Vorteil der Profile unter anderem dar<strong>in</strong> liegt, dass<br />
die Struktur der IO-Daten genau def<strong>in</strong>iert ist und pr<strong>in</strong>zipiell<br />
e<strong>in</strong>e feste Kodierung an die Stelle e<strong>in</strong>er flexiblen<br />
GSD-Gerätebeschreibung treten kann. Gleichzeitig bedeutet<br />
dies aber, dass e<strong>in</strong>e namens- beziehungsweise<br />
kennzeichnerbasierte IO-Belegung nicht möglich ist.<br />
In die Reihe bestehender Profile fallen unter anderem<br />
die IEC 62390 [10], die festlegt, wie Geräteprofile für<br />
<strong>in</strong>dustrielle Feldgeräte zu entwickeln s<strong>in</strong>d, sowie die<br />
TC2 der PLCopen [11], die e<strong>in</strong> XML-Format def<strong>in</strong>iert, <strong>in</strong><br />
dem Funktionsblöcke für Positionssteuerungen angelegt<br />
werden können. In der Antriebstechnik steht mit der<br />
IEC 61800-7 [12] des Weiteren e<strong>in</strong> Nachschlagewerk<br />
funktionaler Zusammenhänge von Antrieben zur Verfügung,<br />
das def<strong>in</strong>iert, wie grundlegende Begriffe <strong>in</strong> unterschiedlichen<br />
Standards (zum Beispiel CiA 402 Drive<br />
and Motion Control, CIP Motion, Profidrive Sercos) zu<br />
verwenden s<strong>in</strong>d.<br />
In der derzeit im Abstimmungsprozess bef<strong>in</strong>dlichen<br />
Diagnoseguidel<strong>in</strong>e für Prof<strong>in</strong>et IO [13] wird je e<strong>in</strong> Datenmodell<br />
für Prof<strong>in</strong>et IO [14] Geräte und Alarm-Service-Element-Diagnosen<br />
(ASE diagnosis) e<strong>in</strong>geführt,<br />
sowie Empfehlungen zu deren Nutzung gegeben. Des<br />
Weiteren wird e<strong>in</strong> Benachrichtigungskonzept vorgeschlagen,<br />
welches e<strong>in</strong> hierarchisches Diagnosemodell<br />
enthält und def<strong>in</strong>iert, ob e<strong>in</strong> alarmgebendes Gerät sofort<br />
Bedienung<br />
IEC 61131<br />
Applikation<br />
!<br />
Status<br />
Steuerbefehle<br />
Funktionsbauste<strong>in</strong><br />
Steuerbefehle<br />
Status<br />
Feedback<br />
Bedienung(<br />
Messwerte<br />
Gerät /<br />
Equipment<br />
Management<br />
(z.B. DTM),<br />
FDI Device<br />
Package<br />
branchenspezifisch<br />
Funktionsbauste<strong>in</strong><br />
projektspezifisch<br />
Alarmverarbeitung<br />
800xA<br />
Operation<br />
n<br />
x<br />
IEC 61131<br />
Applikationseng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g<br />
k<br />
x<br />
Faceplate<br />
branchenspezifisch (n)<br />
Bediener-IO<br />
Motorsteuerung<br />
gerätespezifische IO<br />
BILD 2:<br />
Komplexität der<br />
Bereitstellung<br />
und Nutzung<br />
(Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g)<br />
von IEC 61131-<br />
Motorsteuerungs-<br />
Funktionsblöcken<br />
Prozess<br />
(weitere Geräte,<br />
z.B. Sensoren)<br />
gerätespezifische<br />
Steuerung<br />
Betriebsmittel<br />
(z.B. Motor)<br />
Motorsteuerung<br />
(z.B. Motorstarter,<br />
Breaker,…)<br />
Konfiguration<br />
BILD 1:<br />
Schema der<br />
Integration<br />
elektrischer<br />
Geräte <strong>in</strong> e<strong>in</strong><br />
Prozessleitsystem<br />
Feldbusebene<br />
Feld<br />
m<br />
geräte spezifisch (m)<br />
GSDML<br />
D<br />
M<br />
36<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
epariert werden muss. Wesentliches Element ist außerdem<br />
die Signalweitergabe <strong>in</strong> Controller-to-Controller-<br />
Netzen (C2C).<br />
2. VEREINHEITLICHTE MOTORSTEUERANWENDUNGEN<br />
Motorantriebssteuerungen werden primär gemäß des<br />
Arbeitsverhaltens der anzusteuernden Aktorik unterschieden<br />
(vergleiche Bild 3). Auf der e<strong>in</strong>en Seite stehen<br />
dabei die Stellantriebe, zum Beispiel Ventile, und auf der<br />
anderen auf Dauerbetrieb ausgelegte Motoren, wie Pumpen,<br />
Kompressoren oder Lüfter. Der Unterschied liegt<br />
weniger im zugehörigen Variablensatz, als vielmehr <strong>in</strong><br />
der Funktion: E<strong>in</strong> Pumpenmotor, der den Befehl an erhält,<br />
schaltet an und läuft dann, bis er ausgeschaltet<br />
wird. Der Motor e<strong>in</strong>es Stellantriebs läuft nur solange, bis<br />
die gewünschte Position erreicht ist.<br />
Die nächste <strong>in</strong> Bild 3 dargestellte Erweiterungsebene<br />
repräsentiert die Unterscheidung <strong>in</strong> Schaltstufen und<br />
Regelgetriebe. Zu den Motorsteuerungen mit Schaltstufen<br />
gehören alle motorbetriebenen Ventile, e<strong>in</strong>fache<br />
An-Aus-Typen sowie solche, die mehrere festgelegte<br />
Geschw<strong>in</strong>digkeiten (Aus/Langsam/Schnell) oder unterschiedliche<br />
Drehrichtungen (Vorwärts/Stopp/Rückwärts)<br />
unterstützen. Bei den Regelgetrieben gibt es die<br />
Geschw<strong>in</strong>digkeitsregelung, bei der die Motordrehzahl<br />
<strong>in</strong> der Regel <strong>in</strong> Prozent der Maximaldrehzahl angegeben<br />
wird, sowie die Momentenregelung. E<strong>in</strong>e Bidirektionalitätsklasse<br />
für Motorsteuerungen mit Regelgetrieben<br />
ist nicht praxisrelevant und daher bewusst nicht vorgesehen.<br />
Dies liegt daran, dass an die Drehrichtung<br />
Sicherheitsaspekte gekoppelt werden können, die zum<br />
Beispiel vor e<strong>in</strong>em Umschalten e<strong>in</strong>e bestimmte M<strong>in</strong>deststandzeit<br />
fordern.<br />
3. HIERARCHIE DER STRUKTURIERTEN<br />
IEC 61131-VARIABLEN<br />
Auf der obersten <strong>in</strong> Bild 3 dargestellten Klassenebene<br />
(Antrieb) existieren naturgemäß nur die grundlegenden<br />
Befehle. Hierzu gehören der Fehlerreset als Ausgangsvariable<br />
und als E<strong>in</strong>gangsvariablen Feedbacksignale zur<br />
Betriebsbereitschaft sowie zum Betriebszustand und<br />
zum Fehler- und Warnungsstatus. Ausgangsvariablen<br />
s<strong>in</strong>d dabei vom Funktionsbauste<strong>in</strong> zur Motorsteuerung<br />
gerichtet, während E<strong>in</strong>gangsvariablen von der Motorsteuerung<br />
zum Funktionsbauste<strong>in</strong> übermittelt werden.<br />
Die zweite Ebene <strong>in</strong> Bild 3 (Dauerbetrieb/Stellantrieb)<br />
erweitert die Ausgangsseite um das Startkommando<br />
(start beziehungsweise öffnen). Die E<strong>in</strong>gangsseite von<br />
Motoren wird erweitert, um allgeme<strong>in</strong>e Rückmeldungen<br />
des physikalischen Motorenstatus, wie Stromfluss, Overload<br />
oder Stillstand. Dabei handelt es sich um Variablen<br />
des Dauerbetriebs, welche für Stellantriebe offensichtlich<br />
ke<strong>in</strong>en wirklichen Nutzen haben. Stellantriebe h<strong>in</strong>gegen<br />
benötigen Variablen, welche den tatsächlich e<strong>in</strong>gestellten<br />
Zustand widerspiegeln, also beispielsweise<br />
Ventil geschlossen oder zu n % geöffnet. Somit erklärt<br />
sich die zuvor erwähnte Zweiteilung.<br />
In ähnlicher Weise werden <strong>in</strong> der Klasse der Regelgetriebe<br />
Rückmeldesignale zum tatsächlichen Wert der<br />
Regelgröße benötigt. Darüber h<strong>in</strong>aus weisen derartige<br />
Funktionsblöcke zur Motoransteuerung E<strong>in</strong>gangsvariablen<br />
für Überlast und Umschaltbarkeit auf, ebenso wie<br />
Ausgangsvariablen für schnelles Stoppen oder spezielle<br />
An- und Abfahrprofile.<br />
Der entscheidende Unterschied zwischen Regelgetrieben<br />
und Schaltstufen liegt <strong>in</strong> der Ansteuerung. Schaltstufen<br />
werden über e<strong>in</strong>en Satz b<strong>in</strong>ärer Variablen angesteuert.<br />
Jede Variable repräsentiert e<strong>in</strong>e bestimmte Geschw<strong>in</strong>dig-<br />
Antriebe<br />
Stellantriebe<br />
(z.B. Ventil)<br />
Dauerbetrieb<br />
(z.B. Pumpe)<br />
Schaltstufen<br />
Schaltstufen<br />
Regelgetriebe<br />
Auf-Zu<br />
Ventil<br />
Motorisiertes<br />
Regelventil<br />
An-Aus Aus-An1-An2 Bidirektional<br />
Variable<br />
Geschw<strong>in</strong>digkeit<br />
Variables<br />
Drehmoment<br />
B<strong>in</strong>är<br />
Analog<br />
B<strong>in</strong>är B<strong>in</strong>är B<strong>in</strong>är<br />
Analog<br />
Analog<br />
BILD 3: Klassendiagramm der Antriebssteuerungen – ohne Spezialfälle<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013<br />
37
HAUPTBEITRAG<br />
BILD 4: Implementierungsvarianten<br />
Standard<br />
HMI IO<br />
Standard<br />
HMI IO<br />
Standard<br />
HMI IO<br />
bereichs spezifisch<br />
Funktionsbauste<strong>in</strong><br />
auf Profil Mapper<br />
bereichs spezifisch<br />
Funktionsbauste<strong>in</strong><br />
auf Profil Mapper<br />
profilbasiert<br />
profilbasiert<br />
profilbasiert<br />
Gerätesteuerung<br />
auf Profil Mapper<br />
Gerätesteuerung<br />
auf Profil Mapper<br />
geräte spezifisch<br />
GSDML<br />
GSDML<br />
geräte spezifisch<br />
GSDML<br />
Zyklisches<br />
Abbild<br />
(Status Word)<br />
Mapp<strong>in</strong>g <strong>in</strong><br />
SCP<br />
Standard<br />
HMI<br />
Nicht abbildbare<br />
Daten<br />
Bestehender<br />
Motor-Funktionsbauste<strong>in</strong><br />
&<br />
&<br />
&<br />
&<br />
Mapp<strong>in</strong>g out<br />
Wrapper<br />
Zyklisches Abbild<br />
(Command Word)<br />
Bestehende<br />
HMI<br />
Nicht abbildbare<br />
Daten<br />
BILD 5: Softwarearchitektur<br />
der Beispielimplementierung<br />
keitsstufe und muss – da zu e<strong>in</strong>em Zeitpunkt nur e<strong>in</strong>e<br />
Geschw<strong>in</strong>digkeitsstufe e<strong>in</strong>gestellt se<strong>in</strong> kann – sowohl als<br />
Befehl als auch als Rückmeldung jeweils exklusiv gesetzt<br />
se<strong>in</strong>. Im Fall der Regelgetriebe wird h<strong>in</strong>gegen e<strong>in</strong>e kont<strong>in</strong>uierliche<br />
Ansteuergröße verwendet, welche von weiteren<br />
für die Regelung des Motors notwendigen kont<strong>in</strong>uierlichen<br />
Variablen flankiert wird (wie Setpo<strong>in</strong>t, Anfahrverhalten,<br />
Geschw<strong>in</strong>digkeit). Die Klasse der Bidirektionalität<br />
enthält lediglich e<strong>in</strong>e boolesche Variable, welche die<br />
Drehrichtung spezifiziert, zum Beispiel forward.<br />
4. BEREITSTELLUNG VON<br />
FUNKTIONSBAUSTEINBIBLIOTHEKEN<br />
E<strong>in</strong>e effiziente Implementierung der <strong>in</strong> Bild 3 aufgezeigten<br />
Profilhierarchie ist durch Vererbung zu realisieren. Obwohl<br />
IEC 61131 die Objektorientierung längst spezifiziert<br />
hat, wird dies von den PLS <strong>in</strong> der Regel nicht unterstützt.<br />
Daher ist e<strong>in</strong>e Lösung erforderlich, welche zwar der Vererbungshierarchie<br />
folgt, selbst aber nicht objektorientiert<br />
ist. Die technisch naheliegende Lösung besteht dar<strong>in</strong>, dass<br />
die Hersteller der elektrischen Geräte e<strong>in</strong>heitlich strukturierte<br />
E/A-Daten verwenden und dieselben Variablensignaturen<br />
<strong>in</strong> GSD wie IEC 61131-Funktionsbauste<strong>in</strong>bibliotheken<br />
e<strong>in</strong>setzen. Während bestehende Profile also lediglich<br />
die Gleichheit der Telegramme auf dem Bus garantieren,<br />
wird von den Autoren gefordert, dass auch die Variablennamen<br />
zum e<strong>in</strong>fachen automatischen beziehungsweise<br />
automatisierbaren E/A-Mapp<strong>in</strong>g passen müssen.<br />
Die zugehörige Umsetzung erfordert allerd<strong>in</strong>gs e<strong>in</strong>e<br />
vollständige Umstellung aller Produkte e<strong>in</strong>schließlich<br />
Migrationsstrategie. Als praxisrelevante Lösung f<strong>in</strong>det<br />
sich das H<strong>in</strong>zufügen e<strong>in</strong>er Zwischenschicht durch e<strong>in</strong>en<br />
Mapp<strong>in</strong>g-Block. Um diese Zwischenschicht im Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g<br />
effizient nutzen zu können, wird e<strong>in</strong>e Kapselung<br />
(Wrapp<strong>in</strong>g) der nunmehr zwei Blöcke vorgeschlagen,<br />
sodass e<strong>in</strong> IEC 61131-Programmierer nach wie vor<br />
nur mit e<strong>in</strong>em Funktionsbauste<strong>in</strong> pro Motorsteuerung<br />
hantieren muss. Wenn dieses Wrapp<strong>in</strong>g e<strong>in</strong>gesetzt wird,<br />
38<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
verr<strong>in</strong>gert sich im Vergleich zu Bild 2 nicht die Anzahl<br />
der Funktionsblöcke, es verr<strong>in</strong>gert sich jedoch der Softwareentwicklungs-<br />
und -wartungsaufwand.<br />
Das Ziel dabei ist es, sukzessive die Variablen von Bibliotheken<br />
und Geräten an die generalisierte Version<br />
heranzuführen. Dieses Vorgehen ermöglicht es, weiter<br />
die Integration und Erweiterung bestehender Systeme zu<br />
unterstützen und dedizierte, vom Standard abweichende,<br />
zusätzliche Variablen bereitstellen zu können.<br />
In e<strong>in</strong>er ersten Implementierungsvariante (vergleiche<br />
l<strong>in</strong>kes Schema <strong>in</strong> Bild 4) fungiert der Wrapper als e<strong>in</strong><br />
tran<strong>sparen</strong>ter Umsetzer der Variablen, ohne dass diese<br />
für die Kommunikation zwischen Funktionsbauste<strong>in</strong><br />
und Gerät notwendig wäre. Der Vorteil ist, dass der<br />
Steuerblock von außen betrachtet mit den Profilvariablen<br />
arbeitet, das heißt andere Bauste<strong>in</strong>e direkt auf diese<br />
zugreifen können. Hierdurch ist der E<strong>in</strong>satz jener standardisierten<br />
Benutzeroberflächen (vergleiche Abschnitt<br />
2.3) möglich, welche mit profilbasierten Variablen arbeiten.<br />
Beim Funktionsbauste<strong>in</strong> und Motorcontroller<br />
handelt es sich <strong>in</strong> diesem Fall um die bisherigen Bauste<strong>in</strong>e<br />
oder Geräte, welche ihre spezifischen E<strong>in</strong>- und<br />
Ausgangssignale (wie FB1 oder StatAct1) verwenden.<br />
Die zweite Implementierungsvariante (siehe Bild 4,<br />
mittleres Schema) lässt sich verwirklichen, wenn die<br />
Motorsteuerung Variablen verarbeitet und liefert, die<br />
mit e<strong>in</strong>em def<strong>in</strong>ierten Profil kompatibel s<strong>in</strong>d. Dann entfällt<br />
die Umsetzung zwischen Gerät und Profilschicht.<br />
Die Signalumsetzung zwischen bestehendem Funktionsblock<br />
und profilbasierter Umgebung ist dabei weiterh<strong>in</strong><br />
erforderlich.<br />
E<strong>in</strong> ähnliches Ergebnis wird mit der dritten Implementierungsvariante<br />
(vergleiche Bild 4, rechtes Schema) erreicht.<br />
Bei dieser wird e<strong>in</strong> profilkompatibler Funktionsbauste<strong>in</strong><br />
verwendet, während die Motorsteuerung weiter<br />
<strong>in</strong> ihrer klassischen Konfiguration arbeitet. Dabei entfällt<br />
dann entsprechend die Umsetzung von profilbasiert auf<br />
funktionsblockspezifisch, während die Umsetzung von<br />
gerätespezifisch auf profilbasiert nach wie vor erforderlich<br />
ist. Diese Variante ist <strong>in</strong>sbesondere deswegen <strong>in</strong>teressant,<br />
weil sie es ermöglicht, die Geräte anderer Hersteller<br />
e<strong>in</strong>fach e<strong>in</strong>zub<strong>in</strong>den.<br />
5. NUTZUNG IM ENGINEERING<br />
Müssen heute erst Hersteller und Typ des elektrischen<br />
Geräts im Detail feststehen, können künftig die Arbeiten<br />
an HMI und Steuerungsapplikation bereits früher beziehungsweise<br />
auf Basis e<strong>in</strong>er geräteunabhängigeren Applikationsschicht<br />
beg<strong>in</strong>nen. Dies verr<strong>in</strong>gert den Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>gaufwand<br />
und vere<strong>in</strong>facht den E<strong>in</strong>satz von Gerätesimulationstechniken<br />
[3], etwa zur virtuellen Inbetriebnahme<br />
elektrischer Geräte auf FAT-tauglichem Niveau.<br />
Die vorgestellte Generalisierung könnte e<strong>in</strong> erster<br />
praktischer Schritt <strong>in</strong> Richtung modellgestütztes Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g<br />
werden, da dessen größter Bremsklotz bisher <strong>in</strong><br />
der Individualität der Anbieter und Kundensegmente<br />
liegt. Der Ablauf würde dann auf e<strong>in</strong>er steten Verfe<strong>in</strong>erung<br />
basieren, welche zunächst auf sehr abstraktem Level<br />
die Grundfunktionen def<strong>in</strong>iert und anschließend die<br />
angelegten Teilkomponenten sukzessive und rekursiv<br />
mit Eigenschaften und Detailverhalten befüllt.<br />
Auf der Basis generalisierter Variablensätze wird es außerdem<br />
möglich, <strong>in</strong> ähnlicher Weise generalisierte Faceplates<br />
(Benutzeroberflächen) zu def<strong>in</strong>ieren. Dabei spielt es<br />
ke<strong>in</strong>e Rolle mehr, für welches Gerät diese Benutzeroberfläche<br />
tatsächlich zum E<strong>in</strong>satz kommen wird, solange die<br />
Startertypen von Faceplate und Motorsteuerung zusammen<br />
passen. Somit kann das Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g der Bedienergrafik<br />
erfolgen, ohne den tatsächlichen Motorstarter bereits zu<br />
kennen. Sobald der konkrete Startertyp bekannt ist, läßt<br />
sich das Faceplate an die endgültige Situation anpassen.<br />
Dynamisch e<strong>in</strong>- und ausgeblendete Dialoge und Anzeigen<br />
machen dies möglich, setzen aber voraus, dass die Motorsteuerungen<br />
sich e<strong>in</strong>deutig identifizieren. E<strong>in</strong> vielversprechender<br />
Ansatz <strong>in</strong> dieser Richtung ist <strong>in</strong> [4] dargestellt.<br />
Die Standardisierung ermöglicht es auch, dass Tools<br />
für den Funktionstest von Prozessleitsystemen (zum Beispiel<br />
[5]) deutlich e<strong>in</strong>facher konfiguriert werden können<br />
und ergibt <strong>in</strong> Komb<strong>in</strong>ation mit automatisierten Testabläufen<br />
e<strong>in</strong>e effiziente Herangehensweise, um die zum<br />
Testen notwendigen Zeiten deutlich zu reduzieren und<br />
gleichzeitig e<strong>in</strong>e höhere Testabdeckung zu erreichen.<br />
6. BEISPIELIMPLEMENTIERUNG<br />
Ziel der <strong>in</strong> Bild 5 schematisch dargestellten Beispielimplementierung<br />
ist es, e<strong>in</strong>e Lösung zu schaffen, die sämtliche<br />
Funktionen der bestehenden Funktionsbauste<strong>in</strong>e<br />
und Motorsteuerungen beibehält, und dennoch die neuen<br />
profilbasierten Variablen und Kommunikationsparadigmen<br />
umsetzt. Dabei wurde auf der Geräteseite der<br />
Universal Motor Controller (UMC) der ABB Stotz AG und<br />
der zugehörige Funktionsblock aus der ABB System<br />
800xA Standard Library verwendet.<br />
Oben l<strong>in</strong>ks <strong>in</strong> Bild 5 werden die im zyklischen Abbild<br />
(Status Word) des UMC vorhandenen Daten <strong>in</strong>s System<br />
e<strong>in</strong>gespeist und im Mapp<strong>in</strong>g <strong>in</strong> auf Profilkonformität<br />
gebracht. Von dort aus werden sie an die mit SCP-gekennzeichnete<br />
Datenschnittstelle weitergegeben, auf die<br />
<strong>in</strong> der aktuellen Implementierung die neue Standard-<br />
Bedienoberfläche zugreift. SCP steht dabei für Standard<br />
Connectivity Profile und repräsentiert die von den Autoren<br />
entwickelte ABB-<strong>in</strong>terne Umsetzung des generalisierten<br />
Variablenprofils. Parallel dazu werden die profilkonformen<br />
Daten vom Mapp<strong>in</strong>g <strong>in</strong> zum Motorfunktionsbauste<strong>in</strong><br />
(MFB) weitergeleitet und mit jenen E<strong>in</strong>gängen<br />
des MFBs verbunden, welche e<strong>in</strong>e Entsprechung im<br />
Profil haben. Der <strong>in</strong> Bild 5 quer über den E<strong>in</strong>gangspfeilen<br />
verlaufende Balken signalisiert dabei, dass dies ke<strong>in</strong>e<br />
1:1-Verb<strong>in</strong>dung ist, sondern e<strong>in</strong>e geeignete Zuordnung<br />
auf Array-Variablen oder e<strong>in</strong>e Umkodierung im Bitmuster<br />
vorgenommen werden musste. Selbiges gilt für die<br />
Ausgangsvariablen des bestehenden MFBs, welche vom<br />
Mapp<strong>in</strong>g out wiederum <strong>in</strong> die vom UMC erwartete Form<br />
(Command Word) gebracht werden. Diese Ausgangsdaten<br />
werden auch an die SCP-Schnittstelle übermittelt, um<br />
dort das komplette Variablenprofil vorliegen zu haben.<br />
E<strong>in</strong>gangsdaten, die <strong>in</strong> ihrer heutigen Form nicht <strong>in</strong>s<br />
Schema passen oder aber nicht im zyklischen Abbild<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013<br />
39
HAUPTBEITRAG<br />
abgelegt s<strong>in</strong>d, werden dem bestehenden Motorfunktionsbauste<strong>in</strong><br />
direkt zugeführt. Selbiges gilt <strong>in</strong> analoger Weise<br />
für die Ausgangsseite (Nicht abbildbare Daten).<br />
Der Testaufbau wurde primär genutzt, um die neuen<br />
Möglichkeiten dynamischer Faceplates und der <strong>in</strong> Abschnitt<br />
3 erörterten auf Klassifizierung und Gruppierung<br />
beruhenden Alarmmechanismen zu demonstrieren. Insofern<br />
wurde die für e<strong>in</strong>e vollständige Umsetzung notwendige<br />
Bidirektionaltiät der SCP-Schnittstelle nicht<br />
implementiert, sondern die Bedienung auf Basis der bestehenden<br />
HMI durchgeführt.<br />
Die Experimente zeigten ferner, dass sich mit Hilfe der<br />
neuen Architektur e<strong>in</strong>e Motorsteuerung auch zu e<strong>in</strong>em<br />
späteren Zeitpunkt austauschen lässt, ohne dass der Code<br />
der Funktionsbauste<strong>in</strong>e oder des Faceplates umgeschrieben<br />
werden muss. Ebenso ist es möglich, e<strong>in</strong>en profilbasierten<br />
Funktionsbauste<strong>in</strong> durch e<strong>in</strong>en kundenspezifischen Bauste<strong>in</strong><br />
zu ersetzen. Hierfür ist es lediglich erforderlich, die<br />
Variablenzuordnung entsprechend anzupassen.<br />
7. ALARME, DIAGNOSE UND MAINTENANCE<br />
Neben der Profilbildung zur Motorsteuerung wird ebenfalls<br />
die Profilbildung für die Diagnose elektrischer Geräte<br />
betrachtet. Insgesamt wird dabei unterschieden, ob<br />
sich e<strong>in</strong> Diagnosedatum auf Gerät, Equipment oder den<br />
Prozess bezieht. Gerätediagnosen befassen sich mit Zuständen,<br />
welche ursächlich im Gerät aufgetreten s<strong>in</strong>d,<br />
wie beispielsweise e<strong>in</strong>e zu hohe Wicklungstemperatur<br />
oder e<strong>in</strong>e zu große Phasenverschiebung (cos φ). Equipmentdiagnosen<br />
betrachten nachgeordnete, aber funktional<br />
gekoppelte Geräte, wie zum Beispiel e<strong>in</strong> Leerlauf<br />
bei e<strong>in</strong>er von e<strong>in</strong>em Motor angetriebenen Pumpe. Probleme<br />
im physikalischen Umfeld des Prozesses, also beispielsweise<br />
stockender Durchfluss, werden wiederum<br />
getrennt ausgewertet. Die Herausforderung besteht dar<strong>in</strong>,<br />
diese Bereiche klar vone<strong>in</strong>ander zu trennen und<br />
Abhängigkeiten zu erkennen, vergleiche hierzu Bild 6.<br />
Für das E<strong>in</strong>greifen der Prozesssteuerung im Fehlerfall<br />
genügt bereits wenig Diagnose<strong>in</strong>formation im zyklischen<br />
Prozessabbild. Um jedoch auch Anlagenfahrer und Wartungsexperten<br />
entsprechend über Problemzustände zu<br />
unterrichten, wird e<strong>in</strong> breites Spektrum an diagnostischer<br />
Information als Alarme und Events (Ereignisse)<br />
übertragen. Im Gegensatz zu Events s<strong>in</strong>d Alarme vom<br />
Nutzer zu bestätigen und bis zu dieser Bestätigung als<br />
aktiv zu kennzeichnen. Die Ursachen für Alarme müssen<br />
behoben werden, bevor e<strong>in</strong> Alarm aus der Alarmliste<br />
entfernt werden kann. Während die Bedienern (Operator)<br />
zur Verfügung gestellte Information die Aufgaben<br />
Bedienung und Beobachtung mittels Faceplates<br />
sowie<br />
Alarmruf mittels Geräte- oder Equipmentevents<br />
über die System-Event-Liste<br />
abdeckt, müssen dem Wartung<strong>in</strong>genieur verschiedene<br />
Alarmrufe zur Verfügung stehen:<br />
Alarmruf mittels Geräte- oder Equipmentevents<br />
über die System-Event-Liste,<br />
BILD 6: Verschiedene<br />
Alarmquellen: Prozess,<br />
Equipment und Gerät<br />
Device /<br />
Gerät<br />
Controller<br />
Motorsteuerung<br />
Feldkommunikation<br />
Alarm-<br />
Server<br />
Prozessleitsystem<br />
Faceplate Bedienoberfläche<br />
Zyklische Daten Prozessalarme Diagnosealarme<br />
Motor<br />
Datenzugriff<br />
( z.B. OPC)<br />
Equipment<br />
Pumpe<br />
FI<br />
Prozess<br />
Controller<br />
Controller IO<br />
Alarmlogik<br />
Motor-<br />
Funktionsbauste<strong>in</strong><br />
Konfiguration<br />
BILD 7: Zyklische (blaue Pfade) und azyklische (rote und<br />
grüne) Datenpfade im System. Da <strong>in</strong> der GSD Prozessalarme<br />
nicht explizit ausgewiesen werden können,<br />
werden diese durch e<strong>in</strong>en zusätzlichen Bauste<strong>in</strong> erzeugt.<br />
IO Gerätecontroller<br />
Prozess<br />
40<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
Alarmruf der Gerätezustandsüberwachung,<br />
Alarmruf der auf Basis detaillierter Diagnosedaten<br />
durchgeführten Rootcause-Analyse.<br />
8. ALARMKLASSIFIZIERUNG<br />
In diesem Beitrag liegt der Fokus auf den gerätebezogenen<br />
Alarmen und Events und basiert hauptsächlich auf den von<br />
Drivecom [6] vorgeschlagenen Alarmprofilen. Es wird die<br />
Nutzung e<strong>in</strong>es erweiterten Drivecom-Profils vorgeschlagen,<br />
um alle kritischen Diagnosezustände abbilden zu können,<br />
die e<strong>in</strong> Gerät liefert. Wie dort empfohlen, werden Alarme<br />
zunächst nach ihrer physikalischen Herkunft klassifiziert,<br />
also beispielsweise Strom-, Spannungs-, Temperatur- oder<br />
Softwarefehler. Danach wird der Geräteteil benannt, <strong>in</strong><br />
dem der Fehler aufgetreten ist und anschließend dokumentiert,<br />
welche Fehlfunktion sich e<strong>in</strong>gestellt hat, wie Kurzschluss,<br />
e<strong>in</strong>e zu hohe Temperatur oder e<strong>in</strong> zu ger<strong>in</strong>ges<br />
Drehmoment.<br />
Darüber h<strong>in</strong>aus werden die azyklisch im Gerätemanagement<br />
ausgelesenen Alarme zur Erzeugung des<br />
NE 107 [15] Gesundheitsstatus des elektrischen Gerätes<br />
mit verwendet, den der FDI-Standard [16] als Teil des<br />
Geräte<strong>in</strong>formationsmodells vorsieht. Die Abbildung der<br />
e<strong>in</strong>zelnen Alarme – die jeweils e<strong>in</strong>em Drivecom Fault<br />
entsprechen – auf die Zustandsklassen der NE 107 wurde<br />
anhand ausgewählter Beispiele demonstriert.<br />
Wie Bild 7 zeigt, wird zwischen Diagnose- und Prozessalarmen<br />
unterschieden. Bei Diagnosealarmen handelt es<br />
sich primär um:<br />
Kommunikationsprobleme <strong>in</strong>klusive dem Anschluss<br />
beziehungsweise der Entfernung von Gerätemodulen,<br />
Gerätediagnose, welche von dem erweiterten<br />
Drivecom-Profil abgedeckt wird, sowie<br />
Fehlermeldungen des Equipments.<br />
Prozessalarme, gegebenenfalls mit Sequence-of-Events-<br />
Profil, werden h<strong>in</strong>gegen für Fehler verwendet, welche <strong>in</strong><br />
der – elektrisches Gerät und Equipment – e<strong>in</strong>schließenden<br />
Regelschleife auftreten.<br />
Bild 7 zeigt außerdem die drei grundlegenden Informationspfade<br />
vom Gerät zum Prozessleitsystem: Zyklische<br />
Daten, azyklische Daten und Alarme. Die Aufgabe bei der<br />
Weiterleitung der Alarme, welche als farbige Datenpfade<br />
dargestellt werden, besteht dar<strong>in</strong>, die oben erwähnten<br />
Bezugspunkte der Alarme (Gerät, Equipment, Prozess) zu<br />
dekodieren, die Alarm<strong>in</strong>formation anzureichern und an<br />
die relevanten Alarmempfänger weiterzuleiten.<br />
H<strong>in</strong>weis: Bei der Verwendung von Prof<strong>in</strong>et IO f<strong>in</strong>det<br />
sich e<strong>in</strong>e Abbildung von aktiven Channel-Alarmen auf<br />
Parameterrecords. Hierdurch ist es möglich, den Alarmstatus<br />
azyklisch auszulesen, womit sich Alarmlisten für<br />
die Bediener standardmäßig mit Diagnose<strong>in</strong>formation<br />
des Gerätemanagements ausstatten lassen.<br />
9. DATENPFADE<br />
Die größte Herausforderung bei der Integration von aktuellen<br />
Geräteparametern und Steuerungsdaten ergibt<br />
sich aus der Frage, wie die jeweiligen Diagnosedaten vom<br />
Servers/Clients<br />
Prozessalarme<br />
mit SoE<br />
System-<br />
Ereignisse<br />
FDI-Diagnose-<br />
Menü<br />
FDI-Geräte-<br />
Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g<br />
PLC-Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g<br />
(GSD)<br />
Bediener-<br />
Faceplate<br />
Gruppenalarme<br />
Controller<br />
Prozessalarmweiterleitung<br />
Channelalarmdekodierung<br />
Parameter<br />
Record Tunnel<br />
Open-Loop Control<br />
Prof<strong>in</strong>et IO<br />
Prozessalarme<br />
Channel-<br />
Alarme<br />
Alarm ASE<br />
Parameter<br />
Record ASE<br />
IO Data ASE<br />
Gerät<br />
Fehler der<br />
Steuerung<br />
Geräte- und<br />
Equipmentzustand<br />
Diagnose-Information<br />
Geräteparameter<br />
Status/Feedback/Trips<br />
Befehle und<br />
Set-Po<strong>in</strong>ts<br />
Elektrische Steuerfunktionen<br />
BILD 8: Verteilung von Diagnose<strong>in</strong>formationen (wie Fehler, Warnungen, Status) über Prof<strong>in</strong>et IO.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013<br />
41
HAUPTBEITRAG<br />
AUTOREN<br />
Dr.-Ing. JÜRGEN GREIFEN EDER<br />
(geb. 1975) ist seit 2008 Wissenschaftler<br />
am ABB Forschungszentrum.<br />
Er studierte Technische<br />
Kybernetik <strong>in</strong> Stuttgart<br />
und promovierte über formale<br />
Antwortzeitanalyse netzbasierter<br />
Automatisierungssysteme <strong>in</strong><br />
Kaiserslautern. Se<strong>in</strong>e wissenschaftlichen<br />
Schwerpunkte beziehen sich auf<br />
Systemmodellierung und effizientes Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g.<br />
ABB AG Forschungszentrum,<br />
Wallstadter Str. 59, D-68526 Ladenburg,<br />
Tel. +49 (0) 6203 71 62 22,<br />
E-Mail: juergen.greifeneder@de.abb.com<br />
Dr. rer. nat. DIRK SCHULZ<br />
(geb. 1976) ist seit 2006<br />
Wissenschaftler am ABB<br />
Forschungszentrum. Nach<br />
e<strong>in</strong>em Studium der Technischen<br />
Information an der<br />
Universität Mannheim,<br />
promovierte er über Schutzverfahren<br />
für Taktverteilung<br />
<strong>in</strong> synchronen EVU-Weiterverkehrsnetzen.<br />
Aktuell ist er ist als Pr<strong>in</strong>cipal Scientist im<br />
Bereich Geräte- und Feldbus<strong>in</strong>tegration tätig.<br />
ABB AG Forschungszentrum,<br />
Wallstadter Str. 59, D-68526 Ladenburg,<br />
Tel. +49 (0) 6203 71 62 74,<br />
E-Mail: dirk.schulz@de.abb.com<br />
Gerät zum jeweils <strong>in</strong>teressierten Empfänger zu übertragen<br />
s<strong>in</strong>d (vergleiche Bild 8).<br />
Unter Diagnosedaten wird dabei jene Information verstanden,<br />
welche potenziell kritische Zustände des Prozesses,<br />
Geräts oder Equipments beschreibt. Als Beispiel<br />
seien die Spannungsniveaus L1,L2,L3 genannt. Diese<br />
könnten Teil des zyklischen Abbildes se<strong>in</strong> und <strong>in</strong>nerhalb<br />
der IEC 61131-Applikation Verwendung f<strong>in</strong>den. Sie lassen<br />
sich aber auch azyklisch auslesen und <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em gerätespezifischen<br />
FDI-Diagnosemenü [4] darstellen. In diesem<br />
Fall löst e<strong>in</strong> Überstrom e<strong>in</strong>en Channel-Alarm aus, der <strong>in</strong><br />
der System-Event-Liste angezeigt wird. Würde wegen dieses<br />
Überstroms die zugehörige Regelung ausfallen oder<br />
neustarten, wird e<strong>in</strong> mit Zeitstempel versehener Prozessalarm<br />
den Bediener aufmerksam machen (durch Anzeige<br />
des entsprechenden E<strong>in</strong>trags <strong>in</strong> der Prozess alarmliste).<br />
Dies bedeutet, dass die verschiedenen Datenpfade und<br />
Empfänger ihre Information alle aufgrund desselben<br />
physikalischen Ereignisses beziehungsweise des sich<br />
daraus ergebenenden Messwertes beziehen. Wichtig ist<br />
dabei <strong>in</strong>sbesondere, dass Diagnosedaten <strong>in</strong> der Regel<br />
nicht e<strong>in</strong>en Sender und e<strong>in</strong>en Empfänger haben, sondern<br />
so ziemlich jeder Teilnehmer e<strong>in</strong>es DCS immer sowohl<br />
Empfänger als auch Weiterleiter von Diagnosedaten ist.<br />
Die <strong>in</strong> diesem Architekturüberblick verwendeten Blöcke<br />
stehen dabei stellvertretend für e<strong>in</strong> stereotypisches<br />
DCS (distributed control system). Die Geräte und Server/Client-Seite<br />
ist vollständig unabhängig von der zugrunde<br />
liegenden Technologie. Auf der Geräteseite wäre<br />
das Bild bei Verwendung von Profibus DP komplexer<br />
wegen paralleler Nutzung der DPV0- und DPV1-Dienste.<br />
E<strong>in</strong> wichtiger Teilaspekt des vorgestellten Ansatzes ist es,<br />
die Belastung des Bedieners durch die E<strong>in</strong>führung von<br />
REFERENZEN<br />
B.Sc PABLO RODRIGUEZ<br />
(geb. 1980) ist seit 2010<br />
Wissenschaftler am ABB<br />
Forschungszentrum. Er<br />
studierte Telecommunications<br />
Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g (Electronic<br />
Systems) an der Escuela<br />
Politécnica de Alcalá de<br />
Henares Madrid. Nach se<strong>in</strong>em<br />
Studium befasste er sich mit dem Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g von<br />
konventionellen und Solarkraftwerken, Schwerpunkte<br />
System-Design, Steuerungs- und Regelungstechnik,<br />
Prozesssimulation, Turb<strong>in</strong>e/<br />
Boiler-Kontrolle. Derzeit ist er als Scientist<br />
im Bereich Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-Effizienz tätig.<br />
ABB AG Forschungszentrum,<br />
Wallstadter Str. 59, D-68526 Ladenburg,<br />
Tel. +49 (0) 6203 71 60 22,<br />
E-Mail: pablo.rodriguez@de.abb.com<br />
[1] IEC 61131-3: Programmable controllers - Part 3:<br />
Programm<strong>in</strong>g languages, 2013.<br />
[2] PNO: GSDML (GSD Markup Language). Technische<br />
Spezifikation von PROFINET IO version 2.3, PNO Order No.:<br />
2352, 2011<br />
[3] Hoernicke, M., Greifeneder, J., Barth, M.: Effizientes<br />
Testen heterogener Leitsystemkonfigurationen –<br />
Integration gewerkeübergreifender Hardware-Emulatoren.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong> – Automatisierungstechnische Praxis 54(11),<br />
S. 46-55, 2012<br />
[4] Schulz, D, Greifeneder, J.: E<strong>in</strong>e Standardlösung für die<br />
Integration elektrischer Geräte mit PROFINET IO<br />
und FDI. In: Tagungsband Automation 2013, S. 377-380.<br />
VDI-Verlag 2013<br />
[5] Greifeneder, J., Weber, P., Barth, M., Fay, A.: Generierung<br />
von Simulationsmodellen auf Basis von PLS-Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g-<br />
Systemen. <strong>atp</strong> <strong>edition</strong> – Automatisierungstechnische Praxis<br />
54(4), S. 34-41, 2012<br />
[6] DRIVECOM Nutzergruppe e.V.: DriveServer Spezifikation<br />
V 1.1, http://www.drivecom.org<br />
42<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
Gruppenalarmen (summary alarms) <strong>in</strong> Grenzen zu halten.<br />
Hierdurch wird ermöglicht, dass Alarme mit gleicher<br />
Quelle nur e<strong>in</strong>mal weggeklickt werden müssen und<br />
überall dieselbe Erläuterung aufweisen, unabhängig<br />
davon über welchen Weg sie durch das System gelangt<br />
s<strong>in</strong>d. Für Fehler und Vorwarnungen wird lediglich jeweils<br />
für Gerät, Equipment und Prozess e<strong>in</strong> geme<strong>in</strong>samer<br />
Sammelalarm <strong>in</strong> die Alarmlisten des Systems geleitet.<br />
Anstelle von knapp 100 theoretisch möglichen<br />
Alarmen werden also maximal sechs sichtbar.<br />
FAZIT<br />
Der entwickelte Profilansatz erleichtert die Integration<br />
der Funktions- und Diagnosedaten bestehender<br />
elektrischer Geräte, reduziert den Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>gaufwand<br />
elektrischer Steueranwendungen und vere<strong>in</strong>facht<br />
die Anwendung modellgestützten Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>gs.<br />
E<strong>in</strong>heitliche Bedienoberflächen und die Verwendung<br />
von klassifizierten Gruppenalarmen ermöglichen es<br />
dem Anlagenfahrer, e<strong>in</strong>en aussagekräftigen, aber<br />
schnell zu erfassenden Überblick über die Anlage zu<br />
bekommen und dennoch jederzeit alle wichtigen Informationen<br />
abrufen oder an den Wartungs<strong>in</strong>genieur<br />
übergeben zu können. Die Verwendung e<strong>in</strong>er geräteunabhängigen<br />
Applikationsschicht vere<strong>in</strong>facht<br />
außerdem den E<strong>in</strong>satz von Gerätesimulationstechniken<br />
und erleichtert die Anwendung automatisierter<br />
Testverfahren.<br />
MANUSKRIPTEINGANG<br />
17.05.2013<br />
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />
[7] PNO: PROFIdrive Technology and Application – System<br />
Description. PNO Order No.: 4.322 und 4.321, 2011<br />
[8] PNO: Low Voltage Switchgear (LVSG),<br />
PNO Order No.: 3.122, 2012<br />
[9] PNO: PROFINET IO Clock Synchronization – Common<br />
Application Profile for Sequence of Events,<br />
PNO Order No.: 7.102, 2013<br />
[10] IEC 62390: Common automation device – Profile guidel<strong>in</strong>e,<br />
2005<br />
[11] PLCopen: Function Blocks for Motion Control, TC2-1,<br />
version 2.0, 2011<br />
[12] IEC 61800-7: Generic <strong>in</strong>terface and use of profiles for<br />
power drive systems, 2007<br />
[13] PNO: Diagnosis for PROFINET IO, Guidel<strong>in</strong>e for<br />
PROFINET, draft <strong>in</strong> PI review, version 0.9, 2013<br />
[14] IEC 61784 and IEC 61158 [family of standards <strong>in</strong>clud<strong>in</strong>g<br />
PROFINET IO]<br />
[15] NE 107: Selbstüberwachung und Diagnose von<br />
Feldgeräten, 2006<br />
[16] IEC 62769: Field Device Integration (FDI), 2013<br />
Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g von<br />
Prozessleitsystemen<br />
– so geht‘s<br />
Das praxisorientierte Lehrbuch befasst sich mit der E<strong>in</strong>richtung<br />
von Prozessleitsystemen. Anhand e<strong>in</strong>er experimentellen<br />
Forschungsanlage werden die Herausforderungen h<strong>in</strong>sichtlich<br />
Anlagensicherheit und Anlagenverfügbarkeit dargestellt. Auch<br />
auf Modularisierung und virtuelle Inbetriebnahme von Anlagen<br />
geht der Autor e<strong>in</strong>.<br />
Hrsg.: Leon Urbas<br />
1. Auflage 2014<br />
ca. 300 Seiten, schwarz/weiß mit Schmuckfarbe, Hardcover<br />
ISBN: 978-3-8356-3362-9<br />
Preis: € 49,80<br />
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www.di-verlag.de<br />
Das Buch ersche<strong>in</strong>t im DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München
HAUPTBEITRAG<br />
Bewertung <strong>in</strong>dustrieller<br />
Funklösungen<br />
Standardtests und Performance-Klassen<br />
Basierend auf repräsentativen Messungen <strong>in</strong> realen Umgebungen behandelt dieser Beitrag<br />
geeignete Standardtestfälle zur e<strong>in</strong>heitlichen Zeit- und Fehlerbewertung <strong>in</strong>dustrieller<br />
Funklösungen mit Bezug auf ausgewählte Klassen <strong>in</strong>dustrieller Automatisierungsanwendungen.<br />
Nach Auswahl relevanter Kenngrößen werden Performance-Klassen A, B, C mit<br />
e<strong>in</strong>er zusätzlichen Angabe der absoluten und zeitabhängigen Verfügbarkeit vorgeschlagen.<br />
Damit ist es Herstellern und Anwendern möglich, für e<strong>in</strong>e bestimmte Anwendungsklasse<br />
e<strong>in</strong>e optimale Funklösung zu entwickeln beziehungsweise auszuwählen.<br />
SCHLAGWÖRTER Industrielle Funksysteme / Standardtests / Performance-Klassen /<br />
Funkkanäle / Kanalemulator<br />
Assessment of <strong>in</strong>dustrial wireless systems –<br />
Standard tests and performance classes<br />
Standard tests are presented for the uniform time and error assessment of <strong>in</strong>dustrial<br />
wireless systems based on measurements <strong>in</strong> real environments. These standard tests<br />
take different classes of <strong>in</strong>dustrial applications <strong>in</strong>to account. After choos<strong>in</strong>g relevant<br />
performance parameters we propose the performance classes A, B, and C with additional<br />
<strong>in</strong>formation concern<strong>in</strong>g the total and time-dependent availability. This enables<br />
manufacturers and customers to develop or select optimum wireless solutions for specific<br />
application areas.<br />
KEYWORDS wireless automation / standard tests / performance classes / radio channels /<br />
channel emulator<br />
44<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
UWE MEIER, Institut Init, Lemgo<br />
LUTZ RAUCHHAUPT, Institut Ifak, Magdeburg<br />
Seit etwa 15 Jahren werden Funklösungen für<br />
<strong>in</strong>dustrielle Automatisierungsanwendungen<br />
zunehmend e<strong>in</strong>gesetzt. In dieser Zeit wurden<br />
wesentliche Anforderungen an die Funkkommunikation<br />
def<strong>in</strong>iert sowie Gesichtspunkte der<br />
Nutzung von Funklösungen (zum Beispiel Koexistenzmanagement)<br />
erarbeitet und <strong>in</strong> Richtl<strong>in</strong>ienblättern veröffentlicht<br />
(zum Beispiel VDI/VDE-Richtl<strong>in</strong>ie 2185 [1]).<br />
E<strong>in</strong>e wesentliche Herausforderung besteht allerd<strong>in</strong>gs<br />
noch dar<strong>in</strong>, e<strong>in</strong> optimales Zeitverhalten mit m<strong>in</strong>imaler<br />
Fehlerrate zu geforderten Zeitpunkten zu garantieren.<br />
Im Gegensatz zur kabelgebundenen Kommunikation ist<br />
bei Funk der Übertragungskanal zeitvariant, frequenzselektiv<br />
und e<strong>in</strong>er externen Bee<strong>in</strong>flussung ausgesetzt. In<br />
<strong>in</strong>dustriellen Umgebungen s<strong>in</strong>d Mehrwegeausbreitung<br />
und Bewegungseffekte dom<strong>in</strong>ant, aber es s<strong>in</strong>d ebenso<br />
parasitäre Masch<strong>in</strong>enemissionen und der E<strong>in</strong>fluss anderer<br />
Funksysteme zu beachten. Aus Mangel an Kenntnis<br />
der detaillierten Systemeigenschaften werden heute e<strong>in</strong>ige<br />
Funksysteme nicht genutzt oder sogar pr<strong>in</strong>zipiell<br />
abgelehnt. Damit werden die mit der Funkkommunikation<br />
verbundenen wirtschaftlichen Möglichkeiten nicht<br />
ausgeschöpft. Es besteht daher e<strong>in</strong> dr<strong>in</strong>gender Bedarf an<br />
Testverfahren, mit denen sich unterschiedliche Funklösungen<br />
unter Berücksichtigung relevanter E<strong>in</strong>flüsse applikationsspezifisch<br />
bezüglich des Zeit- und Fehlerverhaltens<br />
bewerten lassen.<br />
Dieser Beitrag stellt die wesentlichen Ergebnisse des<br />
Forschungsvorhabens „Entwicklung von Standardtests<br />
zur e<strong>in</strong>heitlichen Bewertung <strong>in</strong>dustrieller Funklösungen“<br />
(FITS) [2] vor. Ziel war es, geeignete Standardtestfälle<br />
zur e<strong>in</strong>heitlichen Zeit- und Fehlerbewertung <strong>in</strong>dustrieller<br />
Funklösungen mit Bezug auf ausgewählte Klassen<br />
<strong>in</strong>dustrieller Automatisierungsanwendungen bereitzustellen.<br />
Hierbei wurden folgende thematische<br />
Schwerpunkte adressiert:<br />
Verbesserung der Produktbewertung<br />
durch validierte Methoden und Modelle<br />
Unterstützung des Qualitätsmanagements<br />
durch systematisches Vorgehen<br />
Verbesserung der Tran<strong>sparen</strong>z<br />
durch e<strong>in</strong>heitliche Verfahren<br />
Unterstützung der Realisierung<br />
zuverlässiger Funklösungen<br />
Vermeidung von Fehl<strong>in</strong>vestitionen<br />
Im Rahmen der Arbeiten wurden zunächst Kenngrößen<br />
und statistische Parameter zur Zeit- und Fehlerbewertung<br />
sowie relevante E<strong>in</strong>flussgrößen spezifiziert. Basierend<br />
darauf s<strong>in</strong>d Anwendungsprofile und dazu passende<br />
Testfälle def<strong>in</strong>iert worden. Fußend auf repräsentativen<br />
Messungen <strong>in</strong> realen Umgebungen wurden für diese<br />
Standardtests geeignete Modellbeschreibungen und<br />
Testverfahren entwickelt und mit Validierungs- und Erprobungsmessungen<br />
verifiziert. Exemplarische Ergebnisse<br />
werden <strong>in</strong> diesem Beitrag vorgestellt. Abschließend<br />
werden Performance-Klassen A, B, C mit e<strong>in</strong>er zusätzlichen<br />
Angabe der absoluten und zeitabhängigen Verfügbarkeit<br />
vorgeschlagen.<br />
1. KONZEPT<br />
1.1 Betrachtungsraum<br />
Als Ausgangspunkt für die Beschreibung der Standardtests<br />
mit Bezug zu <strong>in</strong>dustriellen Automatisierungsanwendungen<br />
wird der Betrachtungsraum beschrieben.<br />
Bild 1 zeigt die Abstraktion e<strong>in</strong>er <strong>in</strong>dustriellen Automatisierungsanwendung<br />
mit verteilten und gegebenenfalls<br />
mobilen Anlagenbestandteilen.<br />
Die verteilten Anlagenbestandteile s<strong>in</strong>d mit Funkgeräten<br />
ausgerüstet, die e<strong>in</strong> Netzwerk bilden und somit<br />
e<strong>in</strong>e drahtlose Kommunikation über e<strong>in</strong> Funkmedium<br />
ermöglichen. Konkrete Aussagen über die Art der Funkgeräte<br />
beziehungsweise über das Funknetzwerk, das sie<br />
bilden, werden nicht getroffen. Es wird lediglich festgestellt,<br />
dass e<strong>in</strong>e Schnittstelle zwischen den verteilten<br />
Automatisierungskomponenten und den Funkgeräten<br />
existiert und dass e<strong>in</strong> Funknetzwerk neben den Funkgeräten<br />
auch Infrastrukturkomponenten be<strong>in</strong>halten<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013<br />
45
HAUPTBEITRAG<br />
kann. Das Zeit- und Fehlerverhalten e<strong>in</strong>er konkreten<br />
Funklösung (Funkgerät oder Funknetzwerk) wird durch<br />
Kenngrößen charakterisiert, deren Werte sich auf die<br />
Schnittstelle zwischen Funkgerät und Anwendungskomponente<br />
beziehen. Diese Festlegung ist nötig, um<br />
e<strong>in</strong>e anwendungsorientierte Bewertung der Funklösung<br />
zu ermöglichen.<br />
Das Konzept der Standardtests sieht vor, die <strong>in</strong>dustrielle<br />
Automatisierungsanwendung durch e<strong>in</strong> def<strong>in</strong>iertes<br />
Verhalten und mit Hilfe standardisierter E<strong>in</strong>flussgrößen<br />
und E<strong>in</strong>flussgrößenwerte abzubilden (siehe Bild 2). Das<br />
geschieht durch e<strong>in</strong>e Testanwendung, die standardisierte<br />
Testfälle abarbeitet. Dazu werden <strong>in</strong> für den Testfall<br />
def<strong>in</strong>ierten Intervallen Kommunikationsanforderungen<br />
an der Anwendungsschnittstelle ausgelöst. Anschließend<br />
werden die Ereignisse an den Anwendungsschnittstellen<br />
genutzt, um die Kenngrößen zu ermitteln, die das<br />
Zeit- und Fehlerverhalten des zu testenden Systems charakterisieren.<br />
Die Eigenschaften des Übertragungskanals<br />
werden ebenfalls mit standardisierten Größen und Wertebereichen<br />
entsprechend den Standardtestfällen abgebildet.<br />
Das geschieht mit Hilfe e<strong>in</strong>es Kanalemulators.<br />
Das zu testende System (system under test, SUT) be<strong>in</strong>haltet<br />
die zu testenden Funkgeräte (devices under<br />
test, DUT) und gegebenenfalls weitere Infrastrukturkomponenten.<br />
Es bedient die def<strong>in</strong>ierten Kommunikationsanforderungen<br />
e<strong>in</strong>es Testfalls und nutzt zur Übertragung<br />
den für diesen Testfall spezifizierten Übertragungskanal.<br />
Entsprechend dieses Ansatzes werden<br />
Parameter def<strong>in</strong>iert, um die Anforderungen an die<br />
Funkkommunikation sowie die Bed<strong>in</strong>gungen dafür<br />
quantitativ beschreiben zu können. Damit lassen sich<br />
Funklösungen e<strong>in</strong>heitlich und unter reproduzierbaren<br />
Bed<strong>in</strong>gungen untersuchen.<br />
1.2 Anforderungen und E<strong>in</strong>flussgrößen<br />
Anwendungsbezogene E<strong>in</strong>flussgrößen auf die Funkkommunikation<br />
werden verwendet, um die Kommunikationsanforderungen<br />
e<strong>in</strong>er Automatisierungsanwendung<br />
zu formulieren. Des Weiteren bestimmen diese E<strong>in</strong>flussgrößen<br />
gewisse Bed<strong>in</strong>gungen, unter denen das Kommunikationsnetzwerk<br />
die Anforderungen erfüllen soll.<br />
Hierzu gehören:<br />
Kommunikationsnetzwerk (Anzahl der Kommunikationsgeräte,<br />
Anzahl logischer Verb<strong>in</strong>dungen,<br />
räumliche Ausdehnung, Security-Funktionalität)<br />
Logische Kommunikationsverb<strong>in</strong>dung (Endpunkte,<br />
Abstand zwischen Kommunikationsgeräten,<br />
Safety-Funktionalität)<br />
Kommunikationsgerät (Position, Bewegung)<br />
Kommunikationslast (Nutzdatenlänge, zyklisch<br />
oder ereignisgesteuert, Sendezeitabstand)<br />
Umgebungsbezogene E<strong>in</strong>flussgrößen beschreiben die<br />
Bed<strong>in</strong>gungen der Anwendungsumgebung. Dazu gehören<br />
die Charakteristik des E<strong>in</strong>satzbereiches, die natürlichen<br />
Umgebungsbed<strong>in</strong>gungen sowie der E<strong>in</strong>fluss von Frequenznutzern.<br />
Dabei wird unterschieden zwischen Frequenznutzern<br />
zur Funkkommunikation und anderen<br />
Nutzungen elektromagnetischer Wellen, zum Beispiel<br />
zur Trocknung von Werkstoffen oder zum Erhitzen.<br />
Gerätespezifische E<strong>in</strong>flussgrößen der Funkgeräte und<br />
Funknetzwerke bee<strong>in</strong>flussen deren Zeit- und Fehlerverhalten.<br />
Beispielhaft seien genannt:<br />
Funksystem (Funktechnologie, Topologie, Modulation,<br />
Medienzugriffsverfahren, Datensicherungsverfahren,<br />
...)<br />
Frequenzband (Mittenfrequenz, Bandbreite)<br />
Funkgerät (Sendeleistung, Empfängerempf<strong>in</strong>dlichkeit,<br />
Antennenanzahl, ...)<br />
Antennen (Richtdiagramm, Gew<strong>in</strong>n, Polarisation, ...)<br />
In erster L<strong>in</strong>ie müssen die Funkgeräte und Funknetzwerke<br />
den Anforderungen und Bed<strong>in</strong>gungen der automatisierungstechnischen<br />
Anwendung entsprechen.<br />
Das trifft beispielsweise auf den Abstand der Funkgeräte<br />
zu, auf die Umgebungsbed<strong>in</strong>gungen oder auf die<br />
Bewegungseigenschaften bei mobilen oder beweglichen<br />
Anlagenteilen. Bezüglich der Funktechnologie,<br />
des Funkstandards beziehungsweise der konkreten<br />
Funkgeräte bestehen oft mehrere Optionen. Mit der<br />
Entscheidung diesbezüglich werden die möglichen<br />
Topologien festgelegt.<br />
2. ANWENDUNGSPROFILE UND STANDARDTESTFÄLLE<br />
E<strong>in</strong> Anwendungsprofil beschreibt die Anforderungen e<strong>in</strong>er<br />
Applikation an die Kommunikation. Da <strong>in</strong>dustrielle<br />
Anwendungen sehr unterschiedlich s<strong>in</strong>d, haben unterschiedliche<br />
drahtlose Lösungen ihre Dase<strong>in</strong>sberechtigung.<br />
Aus diesem Grund müssen Standardtestfälle die Anforderungen<br />
der <strong>in</strong>dustriellen Anwendungen berücksichtigen.<br />
Die erste allgeme<strong>in</strong>e Analyse von Anforderungen an<br />
die <strong>in</strong>dustrielle Funkkommunikation wurde <strong>in</strong> der<br />
VDI/VDE-Richtl<strong>in</strong>ie 2185 [1] veröffentlicht. In dieser<br />
Richtl<strong>in</strong>ie werden Automatisierungsfelder wie Fabrikund<br />
Prozessautomation berücksichtigt. Die ISA 100<br />
def<strong>in</strong>iert fünf Anwendungsklassen [3], die im Grunde<br />
für alle <strong>in</strong> der VDI/VDE-Richtl<strong>in</strong>ie aufgelisteten Automationsbranchen<br />
relevant s<strong>in</strong>d. Allerd<strong>in</strong>gs existiert<br />
neben der Beschreibung, was Sicherheit, Regelung oder<br />
Monitor<strong>in</strong>g bedeutet, ke<strong>in</strong>e quantitative Def<strong>in</strong>ition. Deshalb<br />
s<strong>in</strong>d ke<strong>in</strong>e Testfälle von diesen Def<strong>in</strong>itionen ableitbar.<br />
Die Namur-Empfehlung 124 [4] def<strong>in</strong>iert drei Anwendungsklassen<br />
für die Prozessautomation, aber wiederum<br />
ohne quantitative Angaben. Des Weiteren wurden<br />
<strong>in</strong> der Profibus-Nutzerorganisation Anforderungen<br />
speziell für die Fertigungsautomation zur Spezifikation<br />
e<strong>in</strong>es Wireless-Sensor-Aktornetzwerkes (WSAN) zusammengetragen<br />
[5].<br />
Im Projekt FITS wurde e<strong>in</strong> Ansatz entwickelt, welcher<br />
die genannten Dokumente berücksichtigt sowie die Erfahrungen<br />
aus der aktiven Mitarbeit <strong>in</strong> entsprechenden<br />
Gremien und Normungsorganisationen. Tabelle 1 zeigt<br />
die ausgewählten fünf Anwendungsprofile und spezifi-<br />
46<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
BILD 1: Abstraktion des Betrachtungsraums<br />
BILD 2: Konzept für Standardtests von<br />
Funklösungen für die <strong>in</strong>dustrielle Automation<br />
E<strong>in</strong>flussgröße<br />
(anwendungsbezogen)<br />
Masch<strong>in</strong>e<br />
Fabrikhalle<br />
Prozessanlage<br />
(Indoor)<br />
Prozessanlage<br />
(Outdoor)<br />
Anzahl an Kommunikationsgeräten 16 50 100 100 2<br />
Räumliche Ausdehnung des<br />
Kommunikationssystems (L x B x H)<br />
Abstand zwischen den<br />
Kommunikationsgeräten<br />
5 m x 5 m<br />
x 5 m<br />
100 m x 25 m<br />
x 10 m<br />
100 m x 25 m<br />
x 15 m<br />
500 m x 500 m<br />
x 15 m<br />
Spezielle<br />
Applikation<br />
(Fahrstuhl)<br />
3 m x 3 m<br />
x 25 m<br />
10 m 100 m 100 m 700 m 25 m<br />
Bewegung der Kommunikationsgeräte 0 m/s, 5 m/s 1,5 m/s 0 0 2,5 m/s<br />
Nutzdatenlänge 2 Oktett 64 Oktett 20 Oktett 20 Oktett 2 Oktett<br />
Initiierung der Datenübertragung periodisch periodisch periodisch periodisch periodisch<br />
Sendezeitabstand 100 ms 250 ms 4 s 4 s 50 ms<br />
Sichtkontakt NLOS NLOS NLOS, OLOS NLOS, OLOS OLOS<br />
Andere Funkkommunikationssysteme WLAN WLAN WLAN WLAN WLAN<br />
Medienbelegung<br />
(benachbarter Kanal)<br />
1518 Oktett /<br />
1,8 ms<br />
1518 Oktett /<br />
1,8 ms<br />
1518 Oktett /<br />
1,8 ms<br />
1518 Oktett /<br />
1,8 ms<br />
1518 Oktett /<br />
1,8 ms<br />
E<strong>in</strong>satzbereich Indoor Indoor Indoor Outdoor Indoor<br />
TABELLE 1: Anwendungsprofile (non-/obstructed l<strong>in</strong>e of sight, NLOS/OLOS)<br />
ziert deren relevante E<strong>in</strong>flussgrößenwerte beziehungsweise<br />
Bed<strong>in</strong>gungen. Bei den Werten handelt es sich um<br />
zweckmäßige Festlegungen, die aus den Diskussionen<br />
<strong>in</strong> Arbeitskreisen der GMA, PNO, ZVEI sowie im projektbegleitenden<br />
Arbeitskreis abgeleitet wurden.<br />
Ausgehend von den Festlegungen der Anwendungsprofile<br />
wurden vier Testreihen mit je zwei bis fünf Standardtestfällen<br />
abgeleitet. Welchen Testfällen e<strong>in</strong>e Funklösung<br />
unterzogen werden soll, hängt von den <strong>in</strong>s Auge<br />
gefassten Anwendungsprofilen ab. Den Anwender werden<br />
<strong>in</strong> der Regel nur die Ergebnisse des für den Zielmarkt<br />
relevanten Anwendungsprofils <strong>in</strong>teressieren. Somit ist<br />
nicht für jedes Produkt die Durchführung aller Testreihen<br />
erforderlich.<br />
3. KENNGRÖSSEN<br />
Im Gegensatz zu E<strong>in</strong>flussgrößen, die Anforderungen<br />
und Bed<strong>in</strong>gungen für die zu testende Funklösung be-<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013<br />
47
HAUPTBEITRAG<br />
schreiben, werden messtechnisch zu bestimmende<br />
Kenngrößen verwendet, um die Performance der Funklösung<br />
zu bewerten. Hierbei gilt es aus Gründen der<br />
Effektivität, möglichst wenige generische Kenngrößen<br />
auszuwählen. Dabei ist darauf zu achten, dass die ausgewählten<br />
Kenngrößen das System bezüglich Verfügbarkeit<br />
und Echtzeitfähigkeit nach wie vor e<strong>in</strong>deutig<br />
charakterisieren.<br />
Zunächst werden primäre Kenngrößen def<strong>in</strong>iert:<br />
Die Übertragungszeit (transmission time, t TT ) gibt<br />
an, wie lange die Übertragung e<strong>in</strong>es Nutzdatums<br />
vom Producer (zum Beispiel e<strong>in</strong> Sensor) bis zum<br />
Consumer (zum Beispiel e<strong>in</strong>e Steuerung) dauert. Es<br />
ist der Zeitabschnitt von der Übergabe des ersten<br />
Bestandteils der Nutzdaten (Bit oder Oktett) an der<br />
Schnittstelle zwischen Anwendung und Funkkommunikation<br />
e<strong>in</strong>es Producers bis zur Übergabe des<br />
letzten Bestandteils derselben Nutzdaten an der<br />
Schnittstelle zwischen Funkkommunikation und<br />
Anwendung e<strong>in</strong>es Consumers (Bild 3). Diese Kenngröße<br />
berücksichtigt beispielsweise die bitratenabhängige<br />
Sende- und Empfangszeit (t TX , t RX ) und die<br />
Zeit für Telegrammwiederholungen im Fehlerfall.<br />
Die Aktualisierungszeit (update time, t UT ) entspricht<br />
im Idealfall dem Sendezeit<strong>in</strong>tervall t TI (Bild 3). Das<br />
heißt, die übertragenen Nutzdaten werden an der<br />
Anwendungsschnittstelle des Consumers <strong>in</strong> denselben<br />
zeitlichen Abständen übernommen, wie sie<br />
an der Anwendungsschnittstelle des Producers<br />
übergeben wurden. Die Aktualisierungszeit ist def<strong>in</strong>iert<br />
als der Zeitabschnitt von der Übergabe des<br />
letzten Bestandteils der Nutzdaten e<strong>in</strong>es Producers<br />
an der Anwendungsschnittstelle e<strong>in</strong>es Consumers<br />
bis zur Übergabe des letzten Bestandteils der unmittelbar<br />
nachfolgend übertragenen Nutzdaten vom<br />
gleichen Producer. Die Aktualisierungszeit ist besonders<br />
für die Bewertung der Echtzeitfähigkeit<br />
von Anwendungen mit periodischem Kommunikationsbedarf<br />
geeignet.<br />
Anzahl verlorener Pakete N PL : E<strong>in</strong> Paket gilt als<br />
verloren, wenn e<strong>in</strong> an der Anwendungsschnittstelle<br />
des Producers übergebenes Paket nicht an der<br />
Anwendungsschnittstelle des Consumers übergeben<br />
wird. Zusätzlich gilt e<strong>in</strong> empfangenes Paket<br />
auch dann als verloren, wenn dessen Übertragungszeit<br />
größer als e<strong>in</strong> Maximalwert ist. Außerdem wird<br />
bei Paketvertauschungen das verspätete Paket als<br />
BILD 3: Def<strong>in</strong>ition zeitlicher Kenngrößen<br />
zur Bewertung von Funklösungen<br />
BILD 5: Schematischer Aufbau des Emulators<br />
BILD 4: Beispiel e<strong>in</strong>es zeit- und frequenzselektiven<br />
Übertragungs faktors H(f,t) als<br />
Spektrogramm. Dargestellt ist der<br />
Betrag des Übertragungsfaktors von<br />
-65 ... -40 dB im Frequenzbereich 2,42 ...<br />
2,46 GHz über e<strong>in</strong>en Zeitraum von 10 s.<br />
48<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
Wissenschaftlich<br />
fundierte Beiträge zur<br />
Anlagensicherheit<br />
Safety <strong>in</strong> der Praxis<br />
Die Automatisierungstechnik wird durch neue Forschungen und Entwicklungen<br />
bestimmt. Damit Ingenieure fit für ihren Job s<strong>in</strong>d und die aktuellen Trends <strong>in</strong> der<br />
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1. Auflage 2014 – ISBN: 978-3-8356-7115-7 für € 59,– (zzgl. Versand)<br />
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Diese Erklärung kann ich mit Wirkung für die Zukunft jederzeit widerrufen.
HAUPTBEITRAG<br />
Verlust gewertet, selbst wenn es den Maximalwert<br />
noch nicht überschritten hat.<br />
Aus den primären Kenngrößen werden zwei sekundäre<br />
Kenngrößen abgeleitet:<br />
Die Verfügbarkeit (availability, A) ist e<strong>in</strong> Maß für die<br />
Fähigkeit, während e<strong>in</strong>es gegebenen Zeit<strong>in</strong>tervalls<br />
e<strong>in</strong>e geforderte Funktion zu erfüllen. Angewandt auf<br />
die Funktion e<strong>in</strong>er Funklösung ist die Verfügbarkeit<br />
das Verhältnis der Zeit der fehlerfreien Datenübertragung<br />
(uptime, t U ) zu e<strong>in</strong>em Betrachtungszeitraum<br />
(observation time, t O ). Werden während des Betrachtungszeitraums<br />
<strong>in</strong>sgesamt N TX Telegramme gesendet<br />
und N RX Telegramme davon korrekt empfangen, so<br />
kann deren Verhältnis für die Bestimmung der Verfügbarkeit<br />
verwendet werden.<br />
A = t U<br />
t O<br />
N RX<br />
N TX<br />
= (1)<br />
Ist der Betrachtungszeitraum t O kle<strong>in</strong>er als die gesamte<br />
Messzeit t M , so ergibt sich mit ∆N TX und ∆N RX<br />
als den im Betrachtungszeitraum gesendeten und<br />
empfangenen Telegrammen e<strong>in</strong>e zeitabhängige Verfügbarkeit:<br />
a(t) = ∆N RX<br />
∆N TX<br />
(2)<br />
Bei e<strong>in</strong>em zu langen Betrachtungszeitraum lassen<br />
sich gehäufte Paketverluste und damit zeitlich begrenzte<br />
E<strong>in</strong>brüche der Verfügbarkeit nicht erkennen.<br />
Für die Bestimmung der zeitabhängigen Verfügbarkeit<br />
nach Gleichung (2) sollte daher der Betrachtungszeitraum<br />
aus dem Sendezeit<strong>in</strong>tervall t TI abgeleitet<br />
werden.<br />
t O = 10 ∙ t TI (3)<br />
ist e<strong>in</strong>e zu empfehlende Größe.<br />
Oft wird statt der Verfügbarkeit die Paketverlustrate<br />
(packet loss rate, PLR) zur Bewertung e<strong>in</strong>es Kommunikationssystems<br />
herangezogen:<br />
N<br />
PLR = PL N<br />
= TX − N RX<br />
= 1 − A(4)<br />
N TX N TX<br />
plr(t) =<br />
∆N PL<br />
∆N TX<br />
= 1 − a(t) (5)<br />
4. MODELLIERUNG INDUSTRIELLER FUNKKANÄLE<br />
Die geeignete Modellierung <strong>in</strong>dustrieller Funkkanäle<br />
ist e<strong>in</strong> notwendiger Bestandteil des entwickelten Messverfahrens.<br />
Messungen <strong>in</strong> realen Umgebungen s<strong>in</strong>d sehr<br />
aufwendig und dadurch kostspielig, nicht reproduzierbar<br />
und wegen e<strong>in</strong>es laufenden Produktionsprozesses<br />
ist der Zugang zu dieser Umgebung oft nicht möglich.<br />
E<strong>in</strong>e geeignete Funkkanalemulation vermeidet diese<br />
BILD 6: Exemplarischer Aufbau des Testsystems.<br />
Oben: PC-Steuerung; Mitte von l<strong>in</strong>ks: Multiface,<br />
optionaler Spektrumanalysator, Vektor-Signalgenerator,<br />
Multiface; unten von l<strong>in</strong>ks: Testbox<br />
mit DUT, Kanalemulator, Testbox mit DUT<br />
Probleme. Erst damit wird e<strong>in</strong>e Vergleichbarkeit getesteter<br />
Funklösungen unterschiedlicher Standards und<br />
Hersteller ermöglicht.<br />
4.1 Vermessung <strong>in</strong>dustrieller Funkkanäle<br />
Die vorbereitende Arbeit für die Modellierung der<br />
Funkkanäle war die Analyse der relevanten HF-Übertragungsbed<strong>in</strong>gungen<br />
für die spezifizierten Anwendungsklassen.<br />
Vor jeder Messung wurde die jeweilige<br />
Umgebung mittels der festgelegten E<strong>in</strong>flussgrößen beschrieben.<br />
Anschließend wurden HF-Messungen <strong>in</strong><br />
der realen Umgebung durchgeführt. Für die Charakterisierung<br />
e<strong>in</strong>es Funkkanals wird zweckmäßig der<br />
komplexe Übertragungsfaktor H(f) verwendet. Er ist<br />
identisch mit dem Streuparameter s 21 , der zum Beispiel<br />
mit e<strong>in</strong>em vektoriellen Netzwerkanalysator ermittelt<br />
werden kann. Der Übertragungsfaktor wird<br />
durch Mehrwegeausbreitung frequenzabhängig und<br />
durch Bewegungseffekte zeitabhängig. Bild 4 zeigt e<strong>in</strong><br />
Beispiel, bei dem der Funksender an e<strong>in</strong>em Roboterarm<br />
platziert wurde.<br />
Die wichtigsten statistischen Kenngrößen des durch<br />
Mehrwegeausbreitung verursachten frequenzabhängigen<br />
Übertragungsfaktors H(f) s<strong>in</strong>d der Medianwert H Median und<br />
die Schwankungshöhe ∆H 1090 . Der Median ist im Gegensatz<br />
zum Mittelwert robust gegenüber e<strong>in</strong>zelnen Ausreißern.<br />
Die Schwankungshöhe ∆H 1090 bezeichnet den Be-<br />
50<br />
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TABELLE 2: Gerätespezifische E<strong>in</strong>flussgrößen (Auszug aus der Testspezifikation)<br />
Funksystem Wisa Base Station/Client Bluetooth Master/Slave<br />
Modulation GFSK, FHSS GFSK, FHSS<br />
Bitrate der physikalischen Verb<strong>in</strong>dung 1 MBit/s 1 MBit/s<br />
Medienzugriffsmechanismus FH, FDD, TDMA FH, TDMA<br />
Adaptivität ke<strong>in</strong>e Adaptive Frequency Hopp<strong>in</strong>g (AFH)<br />
Sendeleistung 10 dBm / 0 dBm 20 dBm<br />
Empfängerempf<strong>in</strong>dlichkeit -90 dBm / -72 dBm < -70 dBm<br />
Duty cycle 100 % / 0,32 %<br />
Sendezeit<br />
Pausenzeit<br />
2,048 ms / 0,128 ms<br />
0 / 39,872 ms<br />
Anzahl genutzter Frequenzkanäle 77 79<br />
Management: 11,2 %<br />
Data: 0,41 %<br />
Management: 0,21 ms / 0,21 ms<br />
Data: 0,41 ms<br />
Management: 3,75 ms / 3,75 ms<br />
Data: 100 ms<br />
Mittenfrequenz 2403 MHz + n*1 MHz; n=0,....,76 2402 MHz + n*1 MHz; n=0,....,78<br />
Bandbreite je Kanal 1 MHz 1 MHz<br />
reich, <strong>in</strong> dem ausgehend vom Median 80 % aller Werte<br />
liegen. Durch e<strong>in</strong>e <strong>in</strong>verse Fourier-Transformation wird<br />
∞<br />
H(t) = ∫ –∞ H( f ) ∙ e πft d f(6)<br />
bestimmt, womit sich das Impulsverhalten erkennen<br />
lässt. Dessen wichtigste Kenngröße ist die effektive Verbreiterung<br />
(delay spread) t RMS als Maß für das Abkl<strong>in</strong>gverhalten.<br />
Diese Kenngröße korreliert mit der Kohärenzbandbreite<br />
B C als Maß für die Breite der frequenzabhängigen<br />
Schwankungen. Zusammengefasst gibt es somit<br />
drei unabhängige charakteristische Kenngrößen für den<br />
frequenzabhängigen Übertragungsfaktor.<br />
Die entsprechenden drei unabhängigen statistischen Größen<br />
existieren auch für den durch Bewegungseffekte hervorgerufenen<br />
zeitabhängigen Übertragungsfaktor H(t): Medianwert<br />
H Median und Schwankungshöhe ∆H 1090 . Durch e<strong>in</strong>e<br />
Fourier-Transformation erhält man das Doppler-Spektrum<br />
∞<br />
H(ν) = ∫ –∞ H(t) ∙ e –j2t νt d t(7)<br />
Dessen wichtigste Kenngröße ist die effektive Verbreiterung<br />
(Doppler spread) B D , welche mit der Kohärenzzeit<br />
T C als Maß für die Breite der zeitabhängigen Schwankungen<br />
korreliert ist.<br />
Aus der statistischen Kenngröße H Median des Funkkanals<br />
und den gerätespezifischen E<strong>in</strong>flussgrößen Sendeleistung<br />
P S und Empfängerempf<strong>in</strong>dlichkeit MDS der<br />
Funkgeräte lässt sich mit<br />
M dB = P S,dBm + H Median, dB – MDS dBm (8)<br />
die Verb<strong>in</strong>dungsreserve M (l<strong>in</strong>k marg<strong>in</strong>) angeben. Beispielsweise<br />
ergibt sich für die Sendeleistung 20 dBm mit<br />
-80 dB mittlerem Übertragungsfaktor und e<strong>in</strong>er Empfängerempf<strong>in</strong>dlichkeit<br />
-90 dBm die Verb<strong>in</strong>dungsreserve<br />
30 dB. Die mittlere Empfangsleistung liegt somit 30 dB<br />
oberhalb der Empfängerempf<strong>in</strong>dlichkeit. Dies ist e<strong>in</strong>e<br />
sehr gute Funkverb<strong>in</strong>dung.<br />
Zusätzlich zum Funkkanal müssen für jede Umgebung<br />
die Störemissionen erfasst werden. Hierfür wird das<br />
Emissionsspektrum mit e<strong>in</strong>em echtzeitfähigen<br />
Spektrum analysator und e<strong>in</strong>er isotropen Antenne zeitund<br />
frequenzvariant vermessen. Näheres zu den Messverfahren<br />
f<strong>in</strong>det sich <strong>in</strong> [6, 7].<br />
4.2 Emulation <strong>in</strong>dustrieller Funkkanäle<br />
E<strong>in</strong> häufig angewendetes Realisierungspr<strong>in</strong>zip von<br />
Kanalemulatoren verwendet diskrete Signalprozessoren<br />
(DSP) oder programmierbare Logikschaltungen<br />
(FPGA). Leider ist dies jedoch nicht im GHz-Bereich<br />
möglich. Daher muss das E<strong>in</strong>gangssignal zunächst<br />
<strong>in</strong> e<strong>in</strong>en niederfrequenten Bereich heruntergemischt<br />
und anschließend digitalisiert werden. In dieser niederfrequenten<br />
digitalen Ebene wird die eigentliche<br />
Emulation des Funkkanals ausgeführt. Anschließend<br />
wird wiederum zunächst e<strong>in</strong> analoges Signal<br />
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HAUPTBEITRAG<br />
erzeugt und <strong>in</strong> den ursprünglichen Frequenzbereich<br />
hochgemischt. Dieses Verfahren hat mehrere E<strong>in</strong>schränkungen:<br />
Es kann nur e<strong>in</strong> begrenzter Frequenzbereich umgesetzt<br />
werden. Typisch s<strong>in</strong>d 20 oder 40 MHz <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em<br />
festgelegten Frequenzbereich.<br />
Das Pr<strong>in</strong>zip funktioniert nur <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Übertragungsrichtung.<br />
Um die physikalisch erforderliche Übertragungssymmetrie<br />
zu erreichen, s<strong>in</strong>d die Signalverarbeitungsketten<br />
für H<strong>in</strong>- und Rückrichtung getrennt<br />
auszuführen. Der reale Signalweg muss also<br />
künstlich <strong>in</strong> zwei getrennte Richtungen aufgeteilt<br />
werden.<br />
E<strong>in</strong> reales Funksignal durchläuft e<strong>in</strong>en derartigen<br />
Emulator niemals <strong>in</strong> derselben Form wie den realen<br />
Funkkanal, weil es durch elektronische Maßnahmen<br />
verändert wird. Damit ergeben sich systembed<strong>in</strong>gt<br />
Nachteile bezüglich der Echtzeitfähigkeit und<br />
e<strong>in</strong>es begrenzten Datendurchsatzes.<br />
Aus diesen Gründen wird im Beitrag e<strong>in</strong> anderer Ansatz<br />
ohne Frequenzumsetzung und AD-Konversion verfolgt.<br />
Es f<strong>in</strong>det e<strong>in</strong>e direkte breitbandige Emulation im realen<br />
Frequenzbereich statt. Bild 5 zeigt das Pr<strong>in</strong>zip. Der Aufbau<br />
des Emulators erfolgt mit Signalteilern (gelbe Markierung),<br />
programmierbaren Dämpfungsgliedern (grüne<br />
Markierung) und Leitungen zur Laufzeitverzögerung<br />
(rote Markierung).<br />
Durch die begrenzte Anzahl der <strong>in</strong>ternen Ausbreitungspfade<br />
kann ke<strong>in</strong>e exakte Nachbildung beliebiger<br />
frequenzselektiver Übertragungsfunktionen erreicht<br />
werden. Doch es hat sich gezeigt, dass reale <strong>in</strong>dustrielle<br />
Funkkanäle ausreichend genau nachgebildet werden<br />
können. Um auch zeitlich schnell veränderliche Kanäle<br />
nachzubilden, wird der Emulator von e<strong>in</strong>em echtzeitfähigen<br />
Industrie-PC gesteuert. Die zeitliche Auflösung<br />
liegt bei 1 ms. Dies bedeutet, dass pro Sekunde 1 000<br />
verschiedene frequenzabhängige Übertragungsfaktoren<br />
emuliert werden können. Dies hat sich für <strong>in</strong>dustrielle<br />
Funkkanäle als ausreichend herausgestellt. Details zur<br />
Generierung und Validierung der Kanalmodelle s<strong>in</strong>d <strong>in</strong><br />
[2, 6] angegeben.<br />
5. TESTSYSTEM<br />
Basierend auf den theoretischen Vorarbeiten und der Entwicklung<br />
relevanter Standardtestfälle zur e<strong>in</strong>heitlichen<br />
Zeit- und Fehlerbewertung <strong>in</strong>dustrieller Funklösungen<br />
wurden e<strong>in</strong>e Methodik und e<strong>in</strong> System zur Durchführung<br />
dieser Testfälle erarbeitet. Hierzu wurden zunächst<br />
die Anforderungen an e<strong>in</strong> solches Testsystem zusammengetragen.<br />
Dabei handelt es sich <strong>in</strong> erster L<strong>in</strong>ie um die<br />
BILD 7: Gemessene<br />
Übertragungszeit.<br />
L<strong>in</strong>ks: reale Umgebung;<br />
rechts: Emulation<br />
BILD 8: Gemessene<br />
Aktualisierungszeit.<br />
L<strong>in</strong>ks: reale Umgebung;<br />
rechts: Emulation<br />
52<br />
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Umsetzung der <strong>in</strong> den Anwendungsprofilen beschriebenen<br />
Anwendungsanforderungen, den zu erwartenden<br />
Umgebungsbed<strong>in</strong>gungen und den Geräte- und Systemeigenschaften<br />
der Funklösungen. E<strong>in</strong>e exemplarische Umsetzung<br />
des Standardtestsystems ist <strong>in</strong> Bild 6 dargestellt.<br />
Die Anwendungsanforderungen werden durch die <strong>in</strong><br />
Bild 2 gezeigte Standardtestanwendung umgesetzt. Dabei<br />
handelt es sich um e<strong>in</strong>e PC-Software und um verteilte<br />
Testkomponenten. Mit der PC-Software werden<br />
Testprojekte verwaltet, Testfälle ausgewählt, das Testsystem<br />
entsprechend konfiguriert, die Testdurchführung<br />
gesteuert, der Testablauf dokumentiert und aus<br />
den Messergebnissen e<strong>in</strong> Testzertifikat generiert. Zur<br />
echtzeitgerechten Generierung der Testtelegramme und<br />
zur Ermittlung der Kenngrößenwerte lassen sich verschiedene<br />
Geräte e<strong>in</strong>setzen. Für Funkgeräte mit Ethernet-Schnittstelle<br />
bietet sich der E<strong>in</strong>satz e<strong>in</strong>es kommerziellen<br />
Analysegeräts (data quality analyser) an. Bei<br />
Funkgeräten mit IO-Schnittstelle können zur Generierung<br />
des Datenverkehrs Funktionsgeneratoren verwendet<br />
werden. Für die Generierung und Vermessung von<br />
Testtelegrammen von Funkgeräten mit digitalen IOoder<br />
seriellen Schnittstellen (RS232, SPI und andere)<br />
eignet sich e<strong>in</strong> spezielles Geräte, das Multiface [8].<br />
Die Anforderungen der Umgebung werden durch das<br />
<strong>in</strong> Bild 2 dargestellte Standardtestmedium umgesetzt.<br />
Dazu gehören e<strong>in</strong> Kanalemulator, geschirmte Testboxen<br />
und Geräte zur Emulation anderer Frequenznutzer,<br />
das heißt Störer. Um äußere E<strong>in</strong>flüsse auszuschließen,<br />
werden die zu testenden Geräte <strong>in</strong> den abgeschirmten<br />
Testboxen untergebracht. Diese s<strong>in</strong>d durch Koaxialleitungen<br />
mit dem Kanalemulator verbunden. Der Kanalemulator<br />
wird entsprechend des gewählten Testfalls<br />
mit e<strong>in</strong>em der im Abschnitt 4 beschriebenen Modelle<br />
<strong>in</strong>dustrieller Funkkanäle konfiguriert. Zur Emulation<br />
anderer Frequenznutzer kommen entweder e<strong>in</strong> Vektor-<br />
Signalgenerator zum E<strong>in</strong>satz oder reale Funkgeräte. Mit<br />
dem Signalgenerator können determ<strong>in</strong>istische und reproduzierbare<br />
Störszenarien emuliert werden. Für<br />
Funkgeräte sprechen e<strong>in</strong> realistischer Mediumszugriff<br />
des Störsystems und damit e<strong>in</strong>e realistische Wechselwirkung<br />
zwischen dem zu testenden System und dem<br />
Störer sowie ger<strong>in</strong>gere Anschaffungskosten. Dabei<br />
wurden auch Szenarien betrachtet, bei denen e<strong>in</strong>e reale<br />
Funklösung zur dauerhaften Versendung von Telegrammen<br />
m<strong>in</strong>destens zwei Funkgeräte benötigt.<br />
Zur Berücksichtigung der Geräte und Systemeigenschaften<br />
der Funklösungen wurden verschiedene Szenarien<br />
untersucht. Die am häufigsten vorkommenden<br />
Anwendungsschnittstellen wurden durch die Auswahl<br />
und Gestaltung der verteilten Testkomponenten berücksichtigt.<br />
Durch die geschirmten Testboxen können Funkgeräte<br />
mit externem Antennenanschluss und Funkgeräte<br />
mit <strong>in</strong>terner, zum Beispiel PCB-Antenne, getestet wer-<br />
BILD 9: Gemessene<br />
Übertragungszeit.<br />
L<strong>in</strong>ks: reale Umgebung;<br />
rechts: Emulation<br />
BILD 10: Gemessene<br />
Aktualisierungszeit.<br />
L<strong>in</strong>ks: reale Umgebung;<br />
rechts: Emulation<br />
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HAUPTBEITRAG<br />
den. Es s<strong>in</strong>d Testszenarien für zu testende Funklösungen<br />
mit e<strong>in</strong>em oder mehreren Geräten sowie mit Infrastrukturkomponente<br />
(zum Beispiel Basisstation) betrachtet<br />
worden. Alle Geräte des Testsystems s<strong>in</strong>d über Ethernet<br />
mite<strong>in</strong>ander verbunden und werden von der Standardtestanwendung<br />
konfiguriert und gesteuert. Im Rahmen<br />
des Forschungsvorhabens wurde der Demonstrator e<strong>in</strong>es<br />
Testsystems realisiert, mit dem dann Validierungstests<br />
durchgeführt werden konnten. Ergebnisse dieser Validierungstests<br />
werden nachfolgend beschrieben.<br />
6. EXEMPLARISCHE TESTERGEBNISSE<br />
Um e<strong>in</strong>en E<strong>in</strong>druck typischer Messergebnisse zu vermitteln,<br />
werden exemplarisch Testergebnisse der Anwendungsprofile<br />
Masch<strong>in</strong>e und Fabrikhalle mit den Funksystemem<br />
Wisa und Bluetooth vorgestellt. Tabelle 2 zeigt<br />
e<strong>in</strong>ige gerätespezifische E<strong>in</strong>flussgrößen. Es handelt sich<br />
jeweils um kommerzielle Standardprodukte.<br />
6.1 Anwendungsprofil Masch<strong>in</strong>e – Wisa<br />
Die Messungen <strong>in</strong> realer Umgebung wurden <strong>in</strong> der Werkzeugproduktion<br />
e<strong>in</strong>es Automatisierungsunternehmens<br />
durchgeführt. Dieses Testszenario entspricht den Bed<strong>in</strong>gungen<br />
<strong>in</strong> e<strong>in</strong>er typischen <strong>in</strong>dustriellen Fertigungszelle.<br />
Die Entfernung zwischen Producer und Consumer betrug<br />
7,5 m bei gestörter Sichtverb<strong>in</strong>dung. Als Funksystem<br />
wurde Wisa (Tabelle 2) verwendet. Die Verb<strong>in</strong>dungsreserve<br />
betrug M = 31 dB. Somit handelt es sich um e<strong>in</strong>e<br />
ausgezeichnete Funkverb<strong>in</strong>dung. Die Bilder 7 und 8 zeigen<br />
die Histogramme der gemessenen Übertragungs- und<br />
Aktualisierungszeit ohne Störer. In beiden Fällen liegt<br />
e<strong>in</strong>e nahezu perfekte Übere<strong>in</strong>stimmung zwischen den<br />
Ergebnissen der realen Umgebung und der emulierten<br />
Laborumgebung vor. Paketverluste traten nicht auf; die<br />
Verfügbarkeit war 100 %.<br />
6.2 Anwendungsprofil Fabrikhalle – Bluetooth<br />
Die Messungen <strong>in</strong> realer Umgebung wurden <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Fertigungshalle<br />
e<strong>in</strong>es Automatisierungsunternehmens<br />
durchgeführt. Die Entfernung zwischen Producer und<br />
Consumer betrug 72 m bei gestörter Sichtverb<strong>in</strong>dung.<br />
Dieses Testszenario spiegelt die Bed<strong>in</strong>gungen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er<br />
typischen Fertigungshalle wider.<br />
Als Funksystem wurde Bluetooth (Tabelle 2) verwendet.<br />
Die Verb<strong>in</strong>dungsreserve betrug lediglich M = 6 dB.<br />
Somit handelt es sich um e<strong>in</strong>e kritische Funkverb<strong>in</strong>dung<br />
an der Grenze der Systemempf<strong>in</strong>dlichkeit. Die<br />
Bilder 9 und 10 zeigen die Histogramme der gemessenen<br />
Übertragungs- und Aktualisierungszeit ohne Störer.<br />
Auch hier liegt <strong>in</strong> beiden Fällen e<strong>in</strong>e sehr gute Übere<strong>in</strong>stimmung<br />
zwischen den Ergebnissen der realen Umgebung<br />
und der emulierten Laborumgebung vor. Es traten<br />
ke<strong>in</strong>e Paketverluste auf, sodass die Verfügbarkeit erneut<br />
100 % war.<br />
7. PERFORMANCE-KLASSEN<br />
Nach der Def<strong>in</strong>ition von Anwendungsprofilen und der<br />
Herleitung von Standardtestfällen ist es für e<strong>in</strong>en e<strong>in</strong>facheren<br />
Vergleich drahtloser Funklösungen s<strong>in</strong>nvoll,<br />
Performance-Klassen e<strong>in</strong>zuführen. Hierzu werden drei<br />
Performance-Klassen zur Bewertung des Zeitverhaltens<br />
def<strong>in</strong>iert (Bild 11):<br />
Klasse A: Die Anforderungen der Anwendung<br />
werden erfüllt.<br />
Klasse B: Die Anforderungen der Anwendung<br />
werden mit akzeptabler Toleranz erfüllt.<br />
Klasse C: Die Anforderungen der Anwendung<br />
werden nicht erfüllt.<br />
Zur Festlegung der Klassengrenzen s<strong>in</strong>d die E<strong>in</strong>flussgrößen<br />
der Anwendungsprofile zu berücksichtigen. Als<br />
Klassengrenze t A wird die maximale Übertragungszeit<br />
je Verb<strong>in</strong>dung def<strong>in</strong>iert:<br />
t A = t TI<br />
n LL<br />
(9)<br />
Hierbei bezeichnet n LL die Anzahl der logischen Verb<strong>in</strong>dungen<br />
<strong>in</strong>nerhalb des Netzwerks und t TI das anwendungsbezogene<br />
Sendezeit<strong>in</strong>tervall. Die Klassengrenze<br />
t B wird mit<br />
t B = 2 ∙ t A (10)<br />
aus t A abgeleitet, wobei der Faktor 2 e<strong>in</strong>e akzeptable Toleranz<br />
berücksichtigt, die sich im Verlauf der Untersuchungen<br />
als s<strong>in</strong>nvoll erwiesen hat.<br />
Um nun e<strong>in</strong>e Funklösung e<strong>in</strong>er Performance-Klasse<br />
zuweisen zu können, werden die <strong>in</strong> den Standardtests<br />
ermittelten Kenngrößenwerte Übertragungs- und Aktualisierungszeit<br />
(t TT , t UT ) verwendet. Als statistische<br />
Kennwerte dieser Kenngrößen werden der Perzentil-<br />
95-Wert der Übertragungszeit t TT,95 und die Standardabweichung<br />
der Aktualisierungszeit t UT,SD herangezogen.<br />
Die Verwendung dieser statistischen Kenngrößen ist<br />
s<strong>in</strong>nvoll, weil dadurch e<strong>in</strong>zelne Ausreißer der Messergebnisse<br />
nicht <strong>in</strong>s Gewicht fallen. Die Verwendung der<br />
maximalen Übertragungszeit (siehe zum Beispiel<br />
Bild 9) würde zu sehr starken Bewertungsschwankungen<br />
führen.<br />
Die Summe der beiden Kenngrößen t TT,95 und t UT,SD wird<br />
nun bezüglich der Klassengrenze bewertet:<br />
Klasse A: t TT,95 + t UT,SD ≤ t A (11)<br />
Klasse B: t A < t TT,95 + t UT,SD ≤ t B (12)<br />
Klasse C: t B < t TT,95 + t UT,SD (13)<br />
Als Beispiel s<strong>in</strong>d die sich daraus ergebenden Performance-Klassen-Grenzen<br />
der e<strong>in</strong>zelnen Applikationsprofile<br />
<strong>in</strong> Tabelle 3 aufgelistet.<br />
Als Ergebnis zeigt Tabelle 4 beispielhaft e<strong>in</strong>e Übersicht<br />
über Testergebnisse für verschiedene Funklösungen und<br />
54<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
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BILD 11:<br />
Performance-<br />
Klassen<br />
Masch<strong>in</strong>e Fabrikhalle Prozessanlage<br />
Spezielle<br />
Applikation<br />
Anzahl logischer Verb<strong>in</strong>dungen 16 50 100 1<br />
Sendezeitabstand / ms 100 250 4000 50<br />
Klassengrenze A / ms 6,25 5 40 50<br />
Klassengrenze B / ms 12,5 10 80 100<br />
TABELLE 3:<br />
Performance-<br />
Klassen-Grenzen<br />
der e<strong>in</strong>zelnen<br />
Applikationsprofile<br />
Standard<br />
TG name<br />
Standard<br />
TC name<br />
TT UT Performance class<br />
Mode P95 Mean SD Symbol Time Availability<br />
Mach<strong>in</strong>e Standard 35,7 45,9 100,4 16,9 Ð 62,8 C 99,52%<br />
Mach<strong>in</strong>e Interferer 15,8 18,9 40,0 3,4 Ð 5,6 A 100,00%<br />
Factory hall Standard 10,2 12,8 32,0 1,6 Ð 14,4 C 100,00%<br />
Factory hall Standard 0,3 2,4 31,9 2,1 P 4,5 A 99,96%<br />
Factory hall Interferer 0,3 2,5 33,0 6,0 ! 8,5 B 97,92%<br />
Factory hall Standard 0,4 0,6 32,0 0,3 P 0,9 A 100,00%<br />
Factory hall Interferer 0,6 4,2 32,2 6,7 Ð 10,9 C 99,53%<br />
Factory hall Interferer 0,5 3,6 32,0 5,0 ! 8,6 B 99,94%<br />
Process plant Indoor - Movement 23,2 25,0 50,2 4,8 P 29,8 A 99,96%<br />
Process plant Indoor - Movement 22,6 24,7 53,5 124,5 Ð 149,2 C 96,01%<br />
Special Standard 0,4 0,5 10,0 0,2 P 0,6 A 100,00%<br />
Special Standard 10,7 28,1 50,0 11,5 P 39,6 A 100,00%<br />
TABELLE 4: Exemplarische Beispiele für Performance-Klassen und Verfügbarkeit<br />
ausgewählte Testfälle. Im Vordergrund steht hier der<br />
Vorschlag für die Ermittlung und Darstellung der Performance-Klasse<br />
e<strong>in</strong>er Funklösung. In der Tabelle s<strong>in</strong>d<br />
zunächst die statistischen Kennwerte der Kenngrößen<br />
Übertragungszeit und Aktualisierungszeit aufgeführt.<br />
In der Spalte Time wird die Summe aus Perzentil-<br />
95-Wert der Übertragungszeit t TT,95 und Standardabweichung<br />
der Aktualisierungszeit t UT,SD angegeben. Entsprechend<br />
dieses Wertes erfolgt die Zuweisung zu e<strong>in</strong>er<br />
Performance-Klasse nach den Gleichungen (11–13). Zusätzlich<br />
und unabhängig von der Zuordnung zu e<strong>in</strong>er<br />
der drei Performance-Klassen wird die messtechnisch<br />
ermittelte gesamte Verfügbarkeit als Maß für das Fehlerverhalten<br />
ausgewiesen. Die def<strong>in</strong>ierten Performance-<br />
Klassen bewerten somit das Zeitverhalten e<strong>in</strong>er Funklösung.<br />
Die Verfügbarkeit bewertet das Fehlerverhalten.<br />
ZUSAMMENFASSUNG<br />
Mit den erfolgreich entwickelten Testverfahren dieses<br />
Forschungsvorhabens haben nun Hersteller die Möglichkeit,<br />
durch Labormessungen frühe Aussagen über<br />
die Leistungsfähigkeit ihrer Funksysteme für e<strong>in</strong>e bestimmte<br />
Anwendungsklasse und -umgebung zu treffen.<br />
Da die Emulatormessung im Gegensatz zu Messungen<br />
<strong>in</strong> realen Umgebungen determ<strong>in</strong>istisch und damit reproduzierbar<br />
ist, können zum Beispiel verschiedene<br />
Hard- und Softwareversionen vergleichend getestet<br />
werden. Dies ist mit Messungen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er realen Umgebung<br />
nicht möglich.<br />
Die vorgeschlagenen Performance-Klassen A, B, C mit<br />
e<strong>in</strong>er zusätzlichen Angabe der absoluten und zeitabhängigen<br />
Verfügbarkeit bieten Herstellern und Anwendern<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
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HAUPTBEITRAG<br />
die Möglichkeit, für e<strong>in</strong>e bestimmte Anwendungsklasse<br />
e<strong>in</strong>e optimale Funklösung zu entwickeln beziehungsweise<br />
auszuwählen.<br />
Die Ergebnisse sollen als Richtl<strong>in</strong>ienblatt „Messtechnische<br />
Performance-Bewertung von Funklösungen für <strong>in</strong>dustrielle<br />
Automatisierungsanwendungen“ zur VDI/VDE-<br />
Richtl<strong>in</strong>ie 2185 veröffentlicht werden. Es richtet sich an<br />
Hersteller <strong>in</strong>dustrieller Funklösungen, an Planer <strong>in</strong>dust-<br />
rieller Funkanwendungen, an Betreiber <strong>in</strong>dustrieller<br />
Funkanwendungen, an Funktechnologielieferanten sowie<br />
an Normungsgremien für die <strong>in</strong>dustrielle Kommunikation<br />
und die Funkkommunikation.<br />
MANUSKRIPTEINGANG<br />
29.01.2013<br />
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />
DANKSAGUNG<br />
Die F<strong>in</strong>anzierung dieses Forschungsvorhabens<br />
erfolgte im Rahmen des IGF-Vorhaben 16192 BG/2<br />
der Forschungsvere<strong>in</strong>igung Forschungskuratorium<br />
Masch<strong>in</strong>enbau e.V. – FKM, Lyoner Straße 18,<br />
60528 Frankfurt am Ma<strong>in</strong>. Es wurde über die Allianz<br />
Industrie Forschung (AIF) im Rahmen des Programms<br />
zur Förderung der <strong>in</strong>dustriellen Geme<strong>in</strong>schaftsforschung<br />
und -entwicklung (IGF) vom Bundesm<strong>in</strong>isterium<br />
für Wirtschaft und Technologie aufgrund<br />
e<strong>in</strong>es Beschlusses des Deutschen Bundestages<br />
gefördert. Der Abschlussbericht ist erhältlich von:<br />
Deutsche Forschungsgesellschaft für<br />
Automatisierung und Mikroelektronik e.V. (DFAM),<br />
Jutta Langosch, Lyoner Str. 1, D-60528 Frankfurt,<br />
E-Mail: jutta.langosch@vdma.org,<br />
Internet: www.dfam.de<br />
REFERENZEN<br />
[1] VDI/VDE 2185: Funkgestützte Kommunikation <strong>in</strong> der<br />
Automatisierungstechnik (Radio based communication<br />
<strong>in</strong> <strong>in</strong>dustrial automation), September 2007<br />
[2] FITS: Entwicklung von Standardtests zur e<strong>in</strong>heitlichen<br />
Bewertung <strong>in</strong>dustrieller Funklösungen. Ergebnisbereicht<br />
IGF 16192 BG, http://www.dfam.de<br />
[3] ISA SP100.11a: Draft Standard, 21.12.2007<br />
[4] NE 124: Wireless Automation Requirements, 2009<br />
[5] H. Gerlach-Erhardt, B. Kärcher: Alles unter e<strong>in</strong>em<br />
Dach – Wireless-Technologien der PNO s<strong>in</strong>d komplett.<br />
In: Tagungsband 9. VDI-Jahrestagung Wireless<br />
Automation 2010, S. 85-92. VDI-Wissensforum 2010<br />
[6] P. Neufeld, D. Block, U. Meier: Echtzeitfähige Vermessung<br />
und Emulation <strong>in</strong>dustrieller Funkkanäle.<br />
In: Tagungsband 12. Wireless Technologies Kongress,<br />
S. 77-86. VDI Verlag 2010<br />
[7] D. Block, H. Trsek, U. Meier: Real-Time Characterization<br />
of Fast-Vary<strong>in</strong>g Industrial Wireless Channels.<br />
Vortrag RADCOM 2013 - Radar, Communication and<br />
Measurement, April 24 - 25, 2013<br />
[8] A. Gnad, L. Gollub, L. Rauchhaupt: Multi-Functional<br />
Interface for Tests of Industrial Wireless Solutions.<br />
In: Proc. Embedded World Conference 2008, [CD].<br />
Franzis 2008<br />
AUTOREN<br />
Prof. Dr.-Ing. UWE MEIER<br />
(geb. 1959) leitet das Fachgebiet<br />
Hochfrequenztechnik<br />
im Institut für <strong>in</strong>dustrielle<br />
Informationstechnik (<strong>in</strong>IT)<br />
der Hochschule Ostwestfalen-Lippe<br />
<strong>in</strong> Lemgo. Se<strong>in</strong>e<br />
derzeitigen Forschungsarbeiten<br />
liegen im Bereich<br />
‚Performance-Bewertung von <strong>in</strong>dustriellen<br />
Funklösungen‘ und ‚Koexistenzoptimierung<br />
<strong>in</strong>dustrieller Funksysteme durch kognitive<br />
Ansätze‘.<br />
<strong>in</strong>IT – Institut für <strong>in</strong>dustrielle Informationstechnik<br />
Hochschule Ostwestfalen-Lippe,<br />
Liebigstraße 87, D-32657 Lemgo,<br />
Tel. +49 (0) 5261 70 21 50,<br />
Fax: +49 (0) 5261 70 21 37 oder 70 23 73,<br />
E-Mail: uwe.meier@hs-owl.de<br />
Dr.-Ing. LUTZ RAUCHHAUPT<br />
(geb. 1959) ist Leiter des<br />
Forschungsschwerpunktes<br />
Drahtlose Industrielle<br />
Kommunikation am Institut<br />
für Automation und Kommunikation<br />
e.V. Magdeburg<br />
(ifak). In dieser Funktion<br />
leitet er nationale und<br />
<strong>in</strong>ternationale Forschungs- und Entwicklungsprojekte<br />
zu den Schwerpunkten Spezifikation,<br />
Implementierung und Analyse <strong>in</strong>dustrieller<br />
Kommunikationsprotokolle und -profile. Seit<br />
über zehn Jahren konzentriert sich se<strong>in</strong>e Arbeit<br />
auf funkgestützte <strong>in</strong>dustrielle Kommunikation.<br />
ifak – Institut für Automation<br />
und Kommunikation e.V. Magdeburg,<br />
Werner-Heisenberg-Str. 1, D-39106 Magdeburg,<br />
Tel. +49 (0) 391 990 14 95,<br />
Fax: +49 (0) 391 990 15 90,<br />
E-Mail: lutz.rauchhaupt@ifak.eu<br />
56<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g von<br />
Prozessleitsystemen<br />
– so geht‘s<br />
Das praxisorientierte Lehrbuch befasst sich mit der E<strong>in</strong>richtung von<br />
Prozessleitsystemen. Anhand e<strong>in</strong>er experimentellen Forschungsanlage<br />
werden die Herausforderungen h<strong>in</strong>sichtlich Anlagensicherheit und Anlagenverfügbarkeit<br />
dargestellt. Auch auf Modularisierung und virtuelle<br />
Inbetriebnahme von Anlagen geht der Autor e<strong>in</strong>.<br />
Hrsg.: Leon Urbas<br />
1. Auflage 2014<br />
ca. 300 Seiten, schwarz/weiß mit Schmuckfarbe, Hardcover<br />
ISBN: 978-3-8356-3362-9<br />
Preis: € 49,80<br />
www.di-verlag.de<br />
Das Buch ersche<strong>in</strong>t im DIV Deutscher Industrieverlag GmbH, Arnulfstr. 124, 80636 München<br />
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WISSEN FÜR DIE<br />
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___Ex.<br />
Eng<strong>in</strong>eer<strong>in</strong>g von Prozessleitsystemen<br />
1. Auflage 2014 – ISBN: 978-3-8356-3362-9 für € 49,80 (zzgl. Versand)<br />
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Zur Wahrung der Widerrufsfrist genügt die rechtzeitige Absendung des Widerrufs oder der Sache an die Vulkan-Verlag GmbH,<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 e<strong>in</strong>verstanden, dass ich<br />
vom DIV Deutscher Industrieverlag oder vom Vulkan-Verlag per Post, per Telefon, per Telefax, per E-Mail, nicht über <strong>in</strong>teressante, fachspezifische Medien und Informationsangebote <strong>in</strong>formiert und beworben werde.<br />
Diese Erklärung kann ich mit Wirkung für die Zukunft jederzeit widerrufen.
HAUPTBEITRAG<br />
Smart Meter Gateway als<br />
Vorbild für die Automation<br />
BSI-Richtl<strong>in</strong>ie erhöht Informationssicherheit<br />
Die Kommunikationstechnik für die Zählerfernauslesung (Smart Meter<strong>in</strong>g) und für die<br />
<strong>Energie</strong>erzeugungs- und -verteilnetze (Smart Grid) hat das Potenzial, zu e<strong>in</strong>er der ersten<br />
hoch skalierten M2M-Anwendungen zu werden. In den vergangenen Jahren konnten zwei<br />
vielversprechende Entwicklungen im Umfeld der drahtlosen Kommunikation für die<br />
Smart-Grid-Kommunikation vorbereitet werden, die das Marktgeschehen über Deutschland<br />
und über die Versorgungstechnik h<strong>in</strong>aus bee<strong>in</strong>flussen könnten. Neben der Spezifikation<br />
der OMS-Gruppe ist die Erarbeitung e<strong>in</strong>es Schutzprofils (Protection Profile, PP)<br />
sowie e<strong>in</strong>er Technischen Richtl<strong>in</strong>ie (TR) für die Kommunikationse<strong>in</strong>heit e<strong>in</strong>es <strong>in</strong>telligenten<br />
Messsystems (Smart Meter Gateway) durch das Bundesamt für Sicherheit <strong>in</strong> der Informationstechnik<br />
(BSI) zu nennen. Diese greifen, wie der Beitrag beschreibt, den Stand<br />
der Technik auf und geben praxisorientierte Umsetzungen vor.<br />
SCHLAGWÖRTER BSI Schutzprofil / Sicheres Smart Meter Gateway / PKI<br />
Smart meter gateway as model for automation –<br />
Do official guidel<strong>in</strong>es <strong>in</strong>crease <strong>in</strong>formation security?<br />
The communication technologies for automatic meter read<strong>in</strong>g (smart meter<strong>in</strong>g) and for<br />
energy production and distribution networks (smart grids) have the potential to be one of<br />
the first highly scaled M2M-applications. In recent years, there have been two very promis<strong>in</strong>g<br />
developments for wireless smart grid communications which could have an impact<br />
far beyond energy automation.<br />
In addition to the specifications of the OMS Group, the German Federal Office for Information<br />
Security has developed a protection profile (PP) and a technical directive (TR) for<br />
the communication unit of an <strong>in</strong>telligent measurement system (Smart Meter Gateway),<br />
which were released <strong>in</strong> March 2013. This design uses state of the art technologies and<br />
specifies their implementation <strong>in</strong> real-life systems.<br />
KEYWORDS Protection profile / secure smart meter gateway / PKI<br />
58<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
AXEL SIKORA, Hochschule Offenburg<br />
Die Kommunikationstechnik für die Zählerfernauslesung<br />
(Smart Meter<strong>in</strong>g) und für die <strong>Energie</strong>erzeugungs-<br />
und -verteilnetze (Smart Grid)<br />
hat nicht erst seit der <strong>Energie</strong>wende Konjunktur.<br />
Das Thema wurde von der Europäischen<br />
Kommission schon 2002 auf den Weg gebracht [1]. Allerd<strong>in</strong>gs<br />
hat der deutsche <strong>Energie</strong>markt <strong>in</strong> diesem Bereich<br />
lange Zeit ke<strong>in</strong>e Vorreiterrolle e<strong>in</strong>genommen. Es blieb<br />
bislang bei fast allen <strong>Energie</strong>versorgern bei kle<strong>in</strong>eren<br />
Feldtests. Das wird sich nun dank zweier außerordentlich<br />
positiver Entwicklungen im Umfeld der drahtlosen Kommunikation<br />
für Smart-Grid-Anwendungen ändern.<br />
Die Gruppe Open Meter<strong>in</strong>g System (OMS) hat e<strong>in</strong>en<br />
Kommunikationsstandard erarbeitet, der auf dem Meter<strong>in</strong>g<br />
Bus (M-Bus) und se<strong>in</strong>er drahtlosen Erweiterung,<br />
dem Wireless M-Bus nach EN 13757-4 [2], basiert. Dieser<br />
OMS-Standard beschreibt die unteren beiden Schichten<br />
(physical layer, data l<strong>in</strong>k layer) und die Applikationsobjekte<br />
für Elektrizität, Gas, Wasser und Wärme [3]. Er enthält<br />
auch Vorgaben für die Gewährleistung der Datensicherheit<br />
[4].<br />
Die zweite Entwicklung nimmt darauf Bezug. Vor dem<br />
H<strong>in</strong>tergrund der möglichen Bedrohungen im Umfeld der<br />
Smart-Grid-Kommunikation formulierte die Bundesregierung<br />
früh die Anforderungen an die Sicherheitsarchitektur<br />
<strong>in</strong>telligenter Netze, um Datenschutz und Datensicherheit<br />
zu gewährleisten. Daher wurde das Bundesamt<br />
für Sicherheit <strong>in</strong> der Informationstechnik (BSI)<br />
durch das Bundesm<strong>in</strong>isterium für Wirtschaft und Technologie<br />
(BMWi) im September 2010 mit der Erarbeitung<br />
e<strong>in</strong>es Schutzprofils (Protection Profile, PP) sowie im<br />
Anschluss e<strong>in</strong>er Technischen Richtl<strong>in</strong>ie (TR) für die<br />
Kommunikationse<strong>in</strong>heit e<strong>in</strong>es <strong>in</strong>telligenten Messsystems<br />
(smart meter gateway) beauftragt, um e<strong>in</strong>en e<strong>in</strong>heitlichen<br />
Sicherheitsstandard für alle Marktakteure zu<br />
schaffen. Diese Arbeiten s<strong>in</strong>d mit der Veröffentlichung<br />
der ersten verabschiedeten Version 1.0 im März 2013<br />
vorläufig abgeschlossen [5]. Nach § 21d des <strong>Energie</strong>wirtschaftsgesetzes<br />
(EnWG) ist diese Komb<strong>in</strong>ation aus Kommunikationsnetz<br />
und Messe<strong>in</strong>richtung verpflichtend <strong>in</strong><br />
den Haushalten bestimmter Kundengruppen e<strong>in</strong>zubauen,<br />
wobei die Anforderungen an Datenschutz und Datensicherheit<br />
erfüllt werden müssen.<br />
Es ist davon auszugehen, dass diese Richtl<strong>in</strong>ien aus<br />
zwei Gründen Modellcharakter auch für andere Branchen<br />
haben werden:<br />
Das Ergebnis der Arbeiten mit dem Schutzprofil und<br />
den technischen Richtl<strong>in</strong>ien ist mustergültig und<br />
stellt e<strong>in</strong>en (meist) s<strong>in</strong>nvollen Kompromiss zwischen<br />
dem technisch Möglichen und wirtschaftlich<br />
Machbaren dar. Dabei ist das erreichte Sicherheitsniveau<br />
anspruchsvoll, nimmt aber auf viele praktische<br />
Aspekte Rücksicht. Es basiert auf bewährten<br />
Protokollen aus der IT-Welt. Der Versuch, e<strong>in</strong>e Parallelwelt<br />
zu entwickeln, wurde glücklicherweise<br />
nicht unternommen.<br />
Hierbei scheuten die Verfasser sich nicht, auf Verfahren<br />
und Vorgaben von potenziellen (teilüberlappenden)<br />
Konkurrenten, wie den Common Criteria<br />
[10, 11], zurückzugreifen beziehungsweise auf diese<br />
zu verweisen.<br />
Zusätzlich wurden weitere Vorgaben <strong>in</strong> Bezug auf<br />
den korrekten E<strong>in</strong>satz dieser Protokolle erarbeitet,<br />
die zur Sicherheit im praktischen E<strong>in</strong>satz beitragen.<br />
Der Prozess zur Erarbeitung der Schutzprofile und<br />
Richtl<strong>in</strong>ien ist ebenfalls als erfolgreich zu bezeichnen,<br />
weil er <strong>in</strong>nerhalb kurzer Zeit zu tragfähigen<br />
und zukunftsfähigen Ergebnissen geführt hat. Dabei<br />
gelang es gleichermaßen, die führende Hand des<br />
Staates und die praktischen und wirtschaftlichen<br />
Belange der Industrie zu berücksichtigen. Andere<br />
Beispiele von übergreifenden Abstimmungsprozessen,<br />
wie bei der elektronischen Gesundheitskarte,<br />
zeigen, dass dies nicht selbstverständlich ist.<br />
Um Missverständnisse zu vermeiden: Dem Autor wie allen<br />
anderen Beteiligen s<strong>in</strong>d sehr wohl e<strong>in</strong>e Reihe von Schwächen<br />
im Detail bekannt. Diese halten ihn jedoch nicht davon<br />
ab, die große Entwicklungsl<strong>in</strong>ie für vorbildlich zu halten.<br />
Generell ersche<strong>in</strong>t es immer weniger s<strong>in</strong>nvoll, die Sicherheitslösungen<br />
allzu anwendungsspezifisch zu def<strong>in</strong>ieren.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013<br />
59
HAUPTBEITRAG<br />
Erstens werden die Anforderungen – und die verwendeten<br />
Basisprotokolle, wie IP – immer ähnlicher, sodass die technische<br />
Notwendigkeit <strong>in</strong> zunehmendem Maße entfällt. Zweitens<br />
verbauen allzu spezifische Lösungen die Möglichkeit<br />
von <strong>in</strong>tegrierten, gewerkeübergreifenden Lösungen.<br />
Deshalb ersche<strong>in</strong>t es plausibel, dass sich die Automatisierungstechnik<br />
den anderen Anwendungsbereichen<br />
anschließt und auf die Erfahrungen der kostengünstigen<br />
und skalierbaren IP-basierten Protokolle zurückgreift.<br />
In Bezug auf die Automatisierungstechnik soll dieser<br />
Beitrag die Aktivitäten anderer Assoziationen und Allianzen,<br />
wie der ISA 99, nicht entwerten, sondern im Gegenteil<br />
anregen.<br />
1. DRAHTLOSE SENSOR- UND AKTORNETZWERKE<br />
Drahtlose Sensor- und Aktornetzwerke haben anwendungsübergreifend<br />
E<strong>in</strong>gang <strong>in</strong> reale Netzwerke gefunden.<br />
Um Missverständnisse zu vermeiden, wird im Beitrag<br />
auf die im technischen Sprachgebrauch verbreitete<br />
Bezeichnung Wireless Sensor Actuator Networks<br />
(WSAN) verzichtet, weil unter dieser Bezeichnung auch<br />
die drahtlose Erweiterung von Prof<strong>in</strong>et-IO-Devices vermarktet<br />
wird. Dabei s<strong>in</strong>d sie e<strong>in</strong> wesentliches Element<br />
des entstehenden Internet der D<strong>in</strong>ge (Internet of th<strong>in</strong>gs,<br />
IoT) und erlauben die flexible Anb<strong>in</strong>dung der cyberphysischen<br />
Systeme (CPS). Folgende grundlegende Aussagen<br />
lassen sich für solche Netzwerke übergreifend über<br />
alle Anwendungsgebiete machen.<br />
Die drahtlosen Sensor- und Aktornetzwerke<br />
erreichen nur e<strong>in</strong>e ger<strong>in</strong>ge Reichweite und Bandbreite,<br />
aber das zu ger<strong>in</strong>gen Kosten und ger<strong>in</strong>gem <strong>Energie</strong>bedarf,<br />
was die Anb<strong>in</strong>dung der Sensoren und<br />
Aktoren technisch und wirtschaftlich <strong>in</strong> vielen Fällen<br />
überhaupt erst ermöglicht.<br />
bilden nur lokale Netzwerke, die auf e<strong>in</strong> oder wenige<br />
Büros, e<strong>in</strong>e oder wenige Produktionszellen, Prozessanlagen,<br />
e<strong>in</strong> oder wenige Krankenzimmer oder<br />
e<strong>in</strong> Wohngebäude beschränkt s<strong>in</strong>d.<br />
ergänzen die bestehenden Netzwerke <strong>in</strong> Richtung<br />
e<strong>in</strong>er dezentralen Peripherie. Sie s<strong>in</strong>d <strong>in</strong> ke<strong>in</strong>em der<br />
Fälle für die gesamte Kommunikation zuständig,<br />
sondern werden dann e<strong>in</strong>gesetzt, wenn<br />
die kabelgebundene Anb<strong>in</strong>dung zu teuer oder<br />
technisch unmöglich wäre, oder<br />
e<strong>in</strong>e Anb<strong>in</strong>dung über drahtlose Weitverkehrsnetze<br />
im S<strong>in</strong>ne herkömmlicher Mach<strong>in</strong>e-to-Mach<strong>in</strong>e-<br />
Kommunikation (M2M) unter Nutzung von GPRSoder<br />
UMTS-Netzwerken <strong>in</strong> Anschaffung und<br />
Betrieb zu teuer, energetisch unmöglich oder <strong>in</strong><br />
Bezug auf das Zeitverhalten zu langsam wäre.<br />
Alle Erwartungen, dass die drahtlosen Sensor- und Aktornetzwerke<br />
e<strong>in</strong>e dom<strong>in</strong>ierende Rolle bei der Abwicklung<br />
des Datenverkehrs spielen würden, ersche<strong>in</strong>en <strong>in</strong>sbesondere<br />
für die Automatisierungstechnik eher market<strong>in</strong>ggetrieben<br />
als technisch fundiert.<br />
Die drahtlosen Sensor- und Aktornetzwerke<br />
können zwar Information für lokale zeitnahe Regelungsvorgänge<br />
austauschen, benötigen <strong>in</strong> vielen<br />
Fällen aber e<strong>in</strong>e Anschaltung an die übergeordneten<br />
Netzwerke, um e<strong>in</strong> ausreichendes Monitor<strong>in</strong>g,<br />
sowie e<strong>in</strong>e E<strong>in</strong>b<strong>in</strong>dung <strong>in</strong> e<strong>in</strong> übergreifendes,<br />
derzeit meist zentralisiert organisiertes Leitsystem<br />
zu erreichen. In diesem Zusammenhang<br />
ist <strong>in</strong>sbesondere auch die Anb<strong>in</strong>dung der verteilten<br />
Sensoren und Aktoren an die Embedded<br />
Cloud zu erwähnen.<br />
s<strong>in</strong>d <strong>in</strong> besonderer Weise <strong>in</strong> Bezug auf die Datensicherheit<br />
zu schützen. Dies ist darauf zurück zu führen,<br />
dass<br />
Quaternärkommunikation<br />
zwischen Marktteilnehmern<br />
Backend-Server<br />
(Marktteilnehmer 2)<br />
Backend-Server<br />
(Marktteilnehmer 1)<br />
Adm<strong>in</strong>strator<br />
Tertiärkommunikation<br />
(Wide Area Network, WAN)<br />
Generator<br />
Sensor<br />
Aktor<br />
Benutzerschnittstelle<br />
Sekundärkommunikation<br />
(Home Area Network, HAN)<br />
Gateway<br />
Sensor<br />
Sensor<br />
Primärkommunikation<br />
(Local Metrological Network, LMN)<br />
BILD 1:<br />
Mehrstufige Architektur (A1)<br />
für drahtlose Sensor-Aktor-<br />
Netzwerke <strong>in</strong> sehr stark räumlich<br />
verteilten Anwendungen.<br />
60<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
aufgrund der zunehmenden Nutzung der Luftschnittstelle<br />
Angriffe ohne unmittelbaren physischen<br />
Zugang möglich s<strong>in</strong>d,<br />
sie e<strong>in</strong>en direkten Zugriff auf die Sensoren, vor<br />
allem aber auch auf die Aktoren erlauben,<br />
sie durch die häufige Anb<strong>in</strong>dung an übergeordnete<br />
Netzwerke e<strong>in</strong>en Backdoor-Zugang <strong>in</strong> diese<br />
erlauben können,<br />
sie aufgrund ihrer – aus Kosten- und <strong>Energie</strong>gründen<br />
– meist sehr beschränkten Hardware-<br />
Ressourcen nur grundlegende Aufgaben bei der<br />
Absicherung übernehmen können.<br />
Unter Datensicherheit werden im Beitrag die typischen<br />
Anforderungen Vertraulichkeit, Integrität, Authentifizierung,<br />
Autorisierung, Unabweisbarkeit und Verfügbarkeit<br />
verstanden [6]. Sicherheit lässt sich erreichen durch<br />
das Vermeiden von Gefahren oder durch den Schutz vor<br />
Gefahren.<br />
1.1 Mehrstufige Architekturen<br />
Auf Grund der im vorangegangenen Abschnitt beschriebenen<br />
Sachverhalte ergeben sich mehrstufige<br />
Netzwerkarchitekturen, bei denen die drahtlosen Sensor-Aktor-Netzwerke<br />
die unterste Ebene darstellen. Die<br />
Bilder 1 und 2 veranschaulichen zwei typische Architekturen.<br />
Bild 1 zeigt die mehrstufige Architektur für drahtlose<br />
Sensor-Aktor-Netzwerke <strong>in</strong> sehr stark räumlich verteilten<br />
Anwendungen, im Folgenden als A1 bezeichnet. Anwendungsbeispiele<br />
s<strong>in</strong>d das Smart Meter<strong>in</strong>g, Telehealthoder<br />
Telecare-Anwendungen, die Hausautomation aber<br />
ebenso das Monitor<strong>in</strong>g <strong>in</strong> der Prozessautomation und der<br />
Logistik. In dieser Architektur werden vier Netzwerkebenen<br />
unterschieden:<br />
Die Primärkommunikation oder im Falle des Smart<br />
Meter<strong>in</strong>g das Local Metrological Network (LMN)<br />
erlaubt die Anb<strong>in</strong>dung von Sensoren an e<strong>in</strong>en Datensammler.<br />
Die Sekundärkommunikation stellt den Zugriff von<br />
lokalen Benutzern auf die lokalen Daten zur Verfügung.<br />
Diese erfolgt nach der Architektur über das<br />
Gateway – und nicht über den Datensammler oder<br />
über das Backend.<br />
Die Tertiärkommunikation ermöglicht als Weitverkehrsnetz<br />
(wide area network, WAN) die Anb<strong>in</strong>dung<br />
an die Backend-Systeme und Marktteilnehmer.<br />
Die Quaternärkommunikation erlaubt den Datenaustausch<br />
zwischen Marktteilnehmern.<br />
Bild 2 zeigt die mehrstufige Architektur A2 für die Automationspyramide<br />
<strong>in</strong> räumlich konzentrierteren Anwendungen.<br />
Typische Anwendungsbeispiele kommen<br />
aus den Bereichen Industrie- oder Prozessautomation<br />
sowie aus der Gebäudeautomation. Im weiteren S<strong>in</strong>ne<br />
können auch Automotive-Netze hier e<strong>in</strong>geordnet werden.<br />
Im Unterschied zur Architektur A1 gibt es umfangreiche<br />
lokale Netzwerke auf verschiedenen Ebenen, die<br />
klassischerweise über dezentrale Gateways verschaltet<br />
und über e<strong>in</strong> zentrales Gateway mit globalen Netzwerken<br />
verbunden werden.<br />
1.2 Gateways<br />
Der mehrstufige Aufbau erfordert Kopplungselemente<br />
zur Verb<strong>in</strong>dung der unterschiedlichen Ebenen. Da diese<br />
Kopplung <strong>in</strong> der Regel auf Anwendungsebene durchgeführt<br />
wird, hat sich der Begriff der Gateways durchgesetzt.<br />
Gateways haben unabhängig von der Architektur<br />
folgende Aufgaben zu erfüllen:<br />
Visualisierung<br />
Weitverkehrsnetz<br />
Leitgerät<br />
Steuergerät<br />
Steuergerät Steuergerät Steuergerät<br />
Gateway<br />
Feldgerät<br />
Feldgerät<br />
Sensor<br />
Feldgerät/<br />
Gateway<br />
Aktor<br />
Sensor<br />
BILD 2:<br />
Mehrstufige Architektur (A2)<br />
für drahtlose Sensor-Aktor-Netzwerke<br />
<strong>in</strong> räumlich konzentrierteren<br />
Anwendungen.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013<br />
61
HAUPTBEITRAG<br />
Sie müssen die physische Anb<strong>in</strong>dung an die verteilten<br />
Sensoren und Aktoren ermöglichen und damit<br />
deren Protokolle auf den Schichten 1 bis 4 unterstützen.<br />
In Abhängigkeit von den zeitlichen Zugriffsmöglichkeiten<br />
muss Information zwischengespeichert<br />
werden können.<br />
Sie müssen die physische Anb<strong>in</strong>dung an die übergeordneten<br />
Netzwerke und damit deren Protokolle<br />
auf den Schichten 1 bis 4 unterstützen. Auch <strong>in</strong> diese<br />
Richtung muss das Gateway <strong>in</strong> Abhängigkeit von<br />
den zeitlichen Zugriffsmöglichkeiten Information<br />
zwischenspeichern können. Im Zusammenhang mit<br />
der Kopplung muss dann entsprechend e<strong>in</strong>e Umsetzung<br />
dieser Protokolle erfolgen.<br />
In der Regel kommen <strong>in</strong> den Netzwerken der unteren<br />
Ebenen deutlich e<strong>in</strong>facher strukturierte Datenmodelle<br />
als <strong>in</strong> den oberen Ebenen zum E<strong>in</strong>satz, sodass<br />
e<strong>in</strong>e Formatumsetzung auch auf der Anwendungsebene<br />
notwendig wird. Deswegen wird von e<strong>in</strong>em<br />
Gateway gesprochen, weil die Übersetzung auf Anwendungsebene<br />
(Schicht 7) erfolgt.<br />
Herkömmliche Client-Server-Systeme s<strong>in</strong>d für die<br />
Kommunikation von zwei asymmetrischen Partnern<br />
ausgelegt. Um diese Beschränkung auf 1:1-Beziehungen<br />
aufzubrechen, die zum Beispiel den E<strong>in</strong>satz<br />
herkömmlicher Webclients nur e<strong>in</strong>geschränkt erlauben<br />
würden, werden Portalserver e<strong>in</strong>gesetzt, die den<br />
Verkehr auf mehrere Server verteilen.<br />
In der Regel übernehmen die Gateways als Koord<strong>in</strong>atoren<br />
die Aufgaben der Netzwerkverwaltung <strong>in</strong><br />
den untergeordneten Netzwerken. Diese kann<br />
funktionale Aufgaben be<strong>in</strong>halten wie die Adressvergabe<br />
oder die Zugriffsteuerung, aber ebenso<br />
Sicherheitsaufgaben, wie die Schlüssel- und Verb<strong>in</strong>dungsverwaltung,<br />
die Benutzerverwaltung und<br />
die zugehörige Authentifizierung und Autorisierung.<br />
Auch Filteraufgaben (Firewall) gehören zum<br />
Aufgabenumfang.<br />
1.3 Vergleich der Anforderungen<br />
Beim Vergleich der beiden Architekturen A1 und A2<br />
ergeben sich wesentliche Unterschiede. Bei verteilten<br />
Systemen (A1) ist schon die Primärkommunikation zwischen<br />
Datenpunkt und dem Gateway <strong>in</strong> zweierlei H<strong>in</strong>sicht<br />
öffentlich. Erstens werden zunehmend Funksysteme<br />
e<strong>in</strong>gesetzt und zweitens wird <strong>in</strong> den meisten Fällen<br />
über öffentlich zugängliche Bereiche übertragen. Automationsnetze<br />
(A2) s<strong>in</strong>d stattdessen klassischerweise <strong>in</strong><br />
doppelter H<strong>in</strong>sicht geschützt: Sie haben den Schutz über<br />
mehrere Netzwerkebenen und werden dort jeweils über<br />
Gateways und Firewalls vor unerlaubtem Zugriff geschützt.<br />
Sie bef<strong>in</strong>den sich räumlich häufig im Betriebsgelände,<br />
das nicht allgeme<strong>in</strong> zugänglich ist.<br />
Diese Unterschiede werden herangezogen, um zu begründen,<br />
warum die Sicherheitsarchitekturen der verteilten<br />
Systeme nicht <strong>in</strong> räumlich konzentrierten Umgebungen<br />
(A2) umgesetzt werden können. Diese beiden<br />
Aspekte verändern sich aber zunehmend, wie <strong>in</strong> den<br />
folgenden Punkten erläutert und <strong>in</strong> Bild 3 gezeigt wird.<br />
Insbesondere im Bereich der Prozessautomation werden<br />
sehr wohl große Netze aufgebaut, die nicht nur<br />
auf e<strong>in</strong> Firmengebäude beschränkt s<strong>in</strong>d. Dies führt<br />
dazu, dass der physische Zugriff nicht mehr so limitiert<br />
werden kann, wie dies bei ganz lokalen Netzen<br />
<strong>in</strong> e<strong>in</strong>zelnen Produktionszellen der Industrieautomation<br />
klassischerweise erfolgen konnte.<br />
Bei Anwendungen <strong>in</strong> der Prozess- und Industrieautomation<br />
kommen zunehmend drahtlose Übertragungsprotokolle<br />
für Sensor-Aktor-Netzwerke zum<br />
E<strong>in</strong>satz. Damit ist die räumliche physische Begrenzung<br />
nicht mehr so aufrechtzuerhalten, wie dies <strong>in</strong><br />
den klassischen drahtgebundenen Protokollen der<br />
Fall war. Trotz dieses Risikos weisen viele der drahtlosen<br />
Kommunikationsprotokolle für Anwendungen<br />
der Prozess- und Industrieautomation nur e<strong>in</strong> ger<strong>in</strong>ges<br />
Schutzniveau auf.<br />
Beide Architekturen lassen sich durch e<strong>in</strong>en unmittelbaren<br />
Zugriff von Bediengeräten erweitern (Bild 3).<br />
Dies bedeutet, dass zum Beispiel auf e<strong>in</strong> Sensor- oder<br />
Aktorelement auch lokal zugegriffen werden kann,<br />
um beispielsweise zu parametrisieren, Messdaten<br />
auszulesen oder e<strong>in</strong> Firmware Update durchzuführen.<br />
Wenn dieser Zugriff durch e<strong>in</strong>e drahtlose<br />
Schnittstelle erfolgt, stellen diese Erweiterungen<br />
e<strong>in</strong>e wesentliche Veränderung der Sicherheitsarchitektur<br />
dar, weil dadurch e<strong>in</strong> unkontrollierter Zugang<br />
(backdoor) zu den Geräten und den Netzwerkverb<strong>in</strong>dungen<br />
eröffnet wird. Es ist deswegen von zentraler<br />
Bedeutung, diese Zugriffe abzusichern.<br />
2. BSI-RICHTLINIEN<br />
Die Gateways besitzen <strong>in</strong> Bezug auf die Absicherung der<br />
Kommunikationsstrecken e<strong>in</strong>e zentrale Stellung. Die<br />
funktionalen und sicherheitsbezogenen Bestandteile der<br />
BSI-Richtl<strong>in</strong>ien müssen entsprechend umgesetzt werden.<br />
Die Erfahrung aus vielen Projekten zeigt, dass diese<br />
Umsetzung bislang sehr spezifisch und damit immer<br />
wieder neu und <strong>in</strong> vielen Fällen nicht vollständig erfolgt<br />
ist. Deswegen ersche<strong>in</strong>t es dem Autor als e<strong>in</strong> wesentlicher<br />
Schritt, dass diese Bestandteile nun umfassend <strong>in</strong><br />
der BSI-Richtl<strong>in</strong>ie beschrieben s<strong>in</strong>d. Die Vorgaben betreffen,<br />
wie <strong>in</strong> Bild 1 gezeigt,<br />
die Absicherung der Kommunikation zwischen Sensor<br />
und Gateway (local metrological network, LMN,<br />
vergleiche Abschnitt 2.1),<br />
die Absicherung der Kommunikation mit externen<br />
Teilnehmern und damit unter Umständen auch e<strong>in</strong>em<br />
Backend-System oder der fälschlicherweise so<br />
benannten Embedded Cloud im Weitverkehrsnetz<br />
(wide area network, WAN, siehe Abschnitt 2.2),<br />
die Absicherung der Kommunikation zwischen<br />
Gateway und weiteren Benutzern, sowie aktiv geschalteten<br />
Lasten (home area network, HAN, vergleiche<br />
Abschnitt 2.3),<br />
die Absicherung und die Architektur des Gateways<br />
an sich, deren wesentliche Eigenschaften <strong>in</strong> Abschnitt<br />
2.4 erläutert werden.<br />
62<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
BILD 3:<br />
Mehrstufige Architektur (A2) für<br />
draht lose Sensor-Aktor-Netzwerke <strong>in</strong><br />
räumlich konzentrierteren Anwendungen<br />
mit verteilten Benutzerschnittstellen.<br />
Visualisierung<br />
Leitgerät<br />
Weitverkehrsnetz<br />
Steuergerät<br />
Steuergerät Steuergerät Steuergerät<br />
Gateway<br />
Feldgerät<br />
Feldgerät<br />
Feldgerät/<br />
Gateway<br />
Benutzerschnittstelle<br />
Benutzerschnittstelle<br />
Sensor<br />
Aktor<br />
Sensor<br />
2.1 Absicherung der Primärkommunikation<br />
Die Absicherung der Primärkommunikation muss sich<br />
– wie bei den anderen Kommunikationsstrecken – auf<br />
beide Übertragungsrichtungen beziehen. Die <strong>in</strong> Abschnitt<br />
2.2 erwähnten Schutzziele müssen <strong>in</strong> Bezug auf<br />
die Kommunikation vom Datensammler zum Gateway<br />
und vom Gateway zum Datensammler gewährleistet werden.<br />
Insbesondere muss sichergestellt werden, dass sich<br />
über den Kommunikationskanal weder der Datensammler<br />
noch das Gateway angreifen lassen.<br />
Generell wird e<strong>in</strong>e symmetrisch verschlüsselte Datenübertragung<br />
gefordert, wobei als häufigste Variante<br />
die bewährte AES-Verschlüsselung zum E<strong>in</strong>satz kommen<br />
wird. Wird e<strong>in</strong>e bidirektionale Kommunikation<br />
unterstützt, bei der zum Beispiel Konfigurationsdaten<br />
oder e<strong>in</strong>e neue Firmware <strong>in</strong> den Datensammler übertragen<br />
werden können, dann muss zusätzlich beidseitig<br />
authentifiziert werden. Ferner ist zu berücksichtigen,<br />
dass die Verwendung e<strong>in</strong>es statischen Schlüssels<br />
hohe Risiken birgt. Entsprechend wird e<strong>in</strong> dynamischer<br />
Schlüssel gefordert. E<strong>in</strong> sicherer Austausch von<br />
geme<strong>in</strong>samen Schlüsseln, wie sie dann <strong>in</strong> effizienten<br />
symmetrischen kryptografischen Verfahren e<strong>in</strong>gesetzt<br />
werden können, ist mit Hilfe von asymmetrischen<br />
kryptografischen Verfahren möglich, die unter Verwendung<br />
von Zertifikaten gleichzeitig die Authentifizierung<br />
erlauben.<br />
E<strong>in</strong>e solche Abfolge wird im Bereich der Internet-Protokollfamilie<br />
schon seit Jahren vor allem beim Transport<br />
Layer Security Protocol (TLS) e<strong>in</strong>gesetzt und so ist es<br />
s<strong>in</strong>nvoll, auf das gleiche Protokoll zurückzugreifen. TLS<br />
liegt <strong>in</strong> der Version 1.2 vor und hat über se<strong>in</strong>en Vorgänger<br />
Secure Socket Layer (SSL) schon mehrere Revisionen<br />
durchlaufen, <strong>in</strong> denen sukzessiv beobachtete Sicherheitslücken<br />
geschlossen wurden [7, 8]. Der Aufbau für<br />
die Primärkommunikation ist dah<strong>in</strong>gehend beschrieben,<br />
dass das Gateway als TLS-Server und der Sensor als TLS-<br />
Client agieren und zum Beg<strong>in</strong>n e<strong>in</strong>er TLS-Session e<strong>in</strong>e<br />
beidseitige Authentifizierung durch den Austausch der<br />
Zertifikate erfolgt.<br />
Die Implementierung von TLS stellt hohe Anforderungen<br />
an die Rechenleistung der beteiligten Mikrocontroller<br />
und an den Kommunikationskanal. Aus diesem<br />
Grund darf e<strong>in</strong>e solche Session, während der e<strong>in</strong> statischer<br />
Schlüssel verwendet wird, maximal e<strong>in</strong>en Monat<br />
(31 Tage) aufrecht erhalten werden, bevor e<strong>in</strong>e neue Session<br />
mit e<strong>in</strong>em neuen Schlüssel ausgehandelt werden<br />
muss. Alternativ muss e<strong>in</strong>e Session nach der Übertragung<br />
von 5 Megabyte Nutzdaten neu aufgebaut werden.<br />
E<strong>in</strong>e Wiederaufnahme der Session (Session Resumption)<br />
<strong>in</strong>nerhalb dieser Zeit ist erlaubt, e<strong>in</strong>e Neuverhandlung<br />
(Renegotiation) nicht.<br />
Da TLS-Pakete recht lang se<strong>in</strong> können, wird e<strong>in</strong>e zusätzliche<br />
Fragmentierungsschicht e<strong>in</strong>geführt. Die Def<strong>in</strong>ition<br />
des Authentication and Fragmentation Layer<br />
(AFL) kann als generisches Beispiel verstanden werden,<br />
wie e<strong>in</strong>e standardkonforme TLS-Verb<strong>in</strong>dung auch über<br />
bandbreitenbegrenzte und fehlerbehaftete Kanäle übertragen<br />
werden kann.<br />
Um die E<strong>in</strong>b<strong>in</strong>dung von kostengünstigeren Sensoren<br />
zu ermöglichen, wird e<strong>in</strong> zweiter Weg der Gefahrenvermeidung<br />
eröffnet. Die Verwendung von statischen<br />
Schlüsseln für symmetrische Verschlüsselungsverfahren<br />
ist im unidirektionalen Betrieb erlaubt.<br />
Auf diese Weise können zum<strong>in</strong>dest die Sensoren<br />
nicht angegriffen werden. Dabei ist davon auszugehen,<br />
dass auf Grund der höheren Rechenleistung das<br />
Gateway e<strong>in</strong> besseres Monitor<strong>in</strong>g im H<strong>in</strong>blick auf<br />
Intrusion-Detection-Systeme (IDS) oder Intrusion-<br />
Prevention-Systeme (IPS) und Filterfunktionen<br />
(Firewall) unterstützen kann.<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013<br />
63
HAUPTBEITRAG<br />
2.2 Absicherung des Weitverkehrsnetzes<br />
Die Kommunikation <strong>in</strong> das Weitverkehrsnetz wird mit<br />
TLS m<strong>in</strong>destens der Version 1.2 abgesichert. E<strong>in</strong> Fallback<br />
auf e<strong>in</strong>e ältere TLS-Version darf nicht möglich se<strong>in</strong>. Für<br />
die Kommunikation mit Teilnehmern im WAN muss das<br />
Gateway immer <strong>in</strong> der Rolle des TLS-Client und die Gegenstelle<br />
<strong>in</strong> der Rolle des TLS-Servers agieren. Dabei<br />
muss immer e<strong>in</strong> beidseitig auf Zertifikaten basierender<br />
authentifizierter TLS-Kanal aufgebaut werden. Die Zertifikate<br />
müssen hierbei aus der Smart-Meter<strong>in</strong>g-Public-<br />
Key-Infrastruktur stammen.<br />
Wichtig ersche<strong>in</strong>t der Aspekt, dass das Gateway ke<strong>in</strong>e<br />
TLS-Verb<strong>in</strong>dungen akzeptiert, die von Teilnehmern aus<br />
dem WAN <strong>in</strong>itiiert werden. Das Gateway kann jedoch für<br />
e<strong>in</strong>en bestimmten Fall über den Wake-Up-Dienst veranlasst<br />
werden, e<strong>in</strong>e TLS-Verb<strong>in</strong>dung zu e<strong>in</strong>em vorkonfigurierten<br />
Adm<strong>in</strong>istrator aufzubauen. Auf diese Weise lässt sich e<strong>in</strong><br />
zeitnaher Zugriff vom Adm<strong>in</strong>istrator unterstützen, ohne<br />
dass e<strong>in</strong> zusätzliches Sicherheitsrisiko eröffnet wird.<br />
E<strong>in</strong>e TLS-Session darf maximal für zwei Tage betrieben<br />
werden. E<strong>in</strong>e Wiederaufnahme der Session (session<br />
resumption) ist <strong>in</strong> dieser Zeit erlaubt. Mit dieser verschärften<br />
Anforderung wird den <strong>in</strong> der Regel größeren<br />
Ressourcen von Gateway und Anlagen im Backend Rechnung<br />
getragen.<br />
2.3 Absicherung des lokalen Netzes<br />
Der Zugriff von lokalen Benutzern ist von großer Bedeutung,<br />
um direkt vor Ort auf Daten zugreifen zu können.<br />
Im Zusammenhang mit Smart-Grid-Anwendungen ist <strong>in</strong><br />
diesem HAN auch der Anschluss von fernsteuerbaren<br />
Geräten (controllable local systems, CLS) möglich. Darunter<br />
werden dezentrale Erzeuger wie PV-Anlagen,<br />
Blockheizkraftwerke und größere Verbraucher verstanden.<br />
Diese können vom Backend gesteuert werden, wobei<br />
das Gateway im Wesentlichen die Funktion e<strong>in</strong>es sicheren<br />
Proxy übernimmt. Die jeweiligen TLS-Verb<strong>in</strong>dungen<br />
werden jeweils im Gateway term<strong>in</strong>iert.<br />
Neben weiteren Beschränkungen ist darauf h<strong>in</strong>zuweisen,<br />
dass der Zugriff auf die Datensammler nicht unmittelbar<br />
erfolgen darf. E<strong>in</strong> schreibender Zugriff kann<br />
(wie <strong>in</strong> Abschnitt 2.1 erläutert) nur nach e<strong>in</strong>er zweiseitigen<br />
Authentifizierung über das Gateway ablaufen. Die<br />
eichrelevanten E<strong>in</strong>heiten s<strong>in</strong>d vom Zugriff komplett<br />
ausgenommen.<br />
2.4 Gateway-Architektur<br />
Um die <strong>in</strong> den vorangegangenen Abschnitten beschriebenen<br />
Absicherungen durchführen zu können, hat das Gateway<br />
e<strong>in</strong>e Reihe von zentralen Aufgaben für die Verwaltung<br />
und die Speicherung zu erfüllen. Es ist e<strong>in</strong> besonders<br />
zu schützendes Objekt, da bei e<strong>in</strong>er Manipulation des<br />
Gateways die gesamte Sicherheitskonzeption <strong>in</strong> Frage gestellt<br />
werden muss. Aus diesem Grund wird gefordert,<br />
dass <strong>in</strong> dem Gateway e<strong>in</strong> Sicherheitsmodul e<strong>in</strong>gesetzt<br />
wird. Bei e<strong>in</strong>em solchen Sicherheitsmodul handelt es sich<br />
entweder um e<strong>in</strong>en getrennten Bauste<strong>in</strong> oder um e<strong>in</strong>en<br />
– mittlerweile <strong>in</strong> e<strong>in</strong>igen leistungsfähigen Prozessoren –<br />
<strong>in</strong>tegrierten Funktionsblock, der <strong>in</strong> besonderer Weise<br />
REFERENZEN<br />
[1] 2002/91/EC: Directive 2002/91/EC of the European<br />
Parliament and of the Council of 16 December 2002 on the<br />
energy performance of build<strong>in</strong>gs. http://europa.eu/legislation_summaries/other/l27042_en.htm<br />
[2] EN-13757: Communication systems for meters and remote<br />
read<strong>in</strong>g of meters. Part 1: Data exchange, Part 2: Physical and<br />
l<strong>in</strong>k layer, Part 3: Dedicated application layer, Part 4: Wireless<br />
meter readout (Radio meter read<strong>in</strong>g for operation <strong>in</strong> the 868 MHz<br />
to 870 MHz SRD band), Part 5: Relay<strong>in</strong>g, Part 6: Local Bus.<br />
[3] OMS: Open Meter<strong>in</strong>g System Specification, Volume 2, Primary<br />
Communication, OMS, Issue 3.0.1 / 2011-01-29. http://oms-group.<br />
org/download/OMS-Spec_Vol2_Primary_v301.pdf<br />
[4] OMS: OMS Technical Report 01 Security.<br />
http://oms-group.org/download/OMS-TR01_Security_v110.pdf<br />
[5] BSI: Smart Meter<strong>in</strong>g Systems – Intelligente Mess systeme.<br />
https://www.bsi.bund.de/DE/Themen/SmartMeter/smartmeter_node.htm<br />
[6] Sikora, A.: Technische Grundlagen der Rechnerkommunikation:<br />
Internet-Protokolle und Anwendungen. Carl Hanser Verlag 2003<br />
[7] Oppliger, R.: SSL and Tls: Theory and Practice.<br />
Artech House 2009<br />
[8] Jaeckel, S., Braun, N., Sikora, A.: Design Strategies for<br />
Secure Embedded Network<strong>in</strong>g. In: A.U.Schmidt,<br />
M. Kreutzer, R. Accorsi (Hrsg.) Long-Term and Dynamical<br />
Aspects of Information Security:Emerg<strong>in</strong>g Trends <strong>in</strong><br />
Information and Communication Security, S. 149-155.<br />
Nova Science Publisher 2007<br />
[9] Trusted Comput<strong>in</strong>g Group:<br />
https://www.trustedcomput<strong>in</strong>ggroup.org<br />
[10] The Common Criteria, http://www.commoncriteriaportal.org/<br />
[11] BSI: Guidel<strong>in</strong>es for Developer Documentation accord<strong>in</strong>g to<br />
Common Criteria Version 3.1 Version.<br />
http://www.commoncriteriaportal.org/files/ccfiles/<br />
CommonCriteriaDevelopersGuide_1_0.pdf<br />
[12] Sikora, A.: Privacy and Trust Management <strong>in</strong> Safety-Related<br />
Car2X Communication. In: B. Bhargava, S.M. Thampi,<br />
P. Atrey (Hrsg.), Manag<strong>in</strong>g Trust <strong>in</strong> Cyberspace. CRC Press,<br />
im Druck<br />
64<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013
auch gegen mechanische Angriffe geschützt ist. Vorgaben<br />
zu e<strong>in</strong>em solchen Trusted Platform Module (TPM) gibt es<br />
im Allgeme<strong>in</strong>en von der Trusted Comput<strong>in</strong>g Group [9].<br />
Die Vorgaben des BSI fordern e<strong>in</strong> nach Common Criteria<br />
(CC) zertifiziertes Modul mit speziellen Vorgaben.<br />
Als zentrale Komponente stellt das Sicherheitsmodul<br />
die kryptografische Identität des Gateways sicher und<br />
dient als Service Provider für kryptografische Operationen.<br />
E<strong>in</strong> solches zentrales Modul ist s<strong>in</strong>nvoll, weil es viele<br />
sicherheitstechnische Probleme löst und damit hilft,<br />
die anderen Systemelemente möglichst kostengünstig<br />
auszugestalten. In Bezug auf die Übertragbarkeit auf die<br />
Automatisierungstechnik ist allerd<strong>in</strong>gs darauf h<strong>in</strong>zuweisen,<br />
dass <strong>in</strong> den Systemen des Smart Meter<strong>in</strong>g ke<strong>in</strong>e Redundanz<br />
vorgesehen ist, sodass e<strong>in</strong> S<strong>in</strong>gle Po<strong>in</strong>t of Failure<br />
<strong>in</strong> den notwendigen Erweiterungen vorzusehen ist.<br />
Das Sicherheitsmodul stellt <strong>in</strong>sbesondere Funktionen<br />
zur Schlüsselgenerierung, zur Erzeugung und Verifikation<br />
von Digitalen Signaturen und zur Schlüsselaushandlung<br />
unter Nutzung von kryptografischen Verfahren mit elliptischen<br />
Kurven (ECC) bereit. Weiterh<strong>in</strong> dient das Sicherheitsmodul<br />
als zuverlässige Quelle für Zufallszahlen und<br />
als sicherer Speicher von Schlüsseln und Zertifikaten. Es<br />
unterstützt ferner e<strong>in</strong>en authentisierten und gesicherten<br />
Kanal zwischen dem Gateway und dem Sicherheitsmodul.<br />
Die Implementierung des Gateways soll auf dem Evaluation<br />
Assurance Level (EAL) 4+ der Common Criteria<br />
erfolgen und wird dementsprechend überprüft. Diese<br />
EAL stellt hohe Anforderung an die Organisation und<br />
Struktur der Entwicklungsabläufe.<br />
Die Hardware-Unterstützung durch das TPM ist auch<br />
e<strong>in</strong>e wichtige Voraussetzung für die Skalierbarkeit des<br />
AUTOR<br />
Prof. Dr.-Ing. AXEL SIKORA<br />
(geb. 1966) ist seit 2011<br />
Professor für Embedded<br />
Design und Kommunikationselektronik<br />
an der<br />
Hochschule Offenburg.<br />
Er beschäftigt sich<br />
mit se<strong>in</strong>em Team mit der<br />
Konzeption und Umsetzung<br />
von sichereren und effizienten Embedded<br />
Kommunikationslösungen vor allem für<br />
<strong>in</strong>dustrielle Anwendungen.<br />
Hochschule Offenburg,<br />
Badstraße 24, D-77652 Offenburg,<br />
Tel. +49 (0) 781 20 54 16,<br />
E-Mail: axel.sikora@hs-offenburg.de<br />
Gesamtsystems, da e<strong>in</strong>e größere Zahl von Schlüsseln<br />
sicher gespeichert und die Aushandlung dieser Schlüssel<br />
effizient unterstützt werden kann. Die Erfahrung aus<br />
der Car-to-Car-(C2C)-Kommunikation zeigt, dass sich mit<br />
e<strong>in</strong>er solchen Architektur potenziell sehr große und dynamische<br />
Installationen umsetzen lassen [12].<br />
3. KOSTEN UND NUTZEN<br />
Es ist offensichtlich, dass die gesamten <strong>in</strong> Abschnitt 2<br />
beschriebenen Maßnahmen zusätzliche Kosten hervorrufen.<br />
Allerd<strong>in</strong>gs muss gleichzeitig das Vorurteil ausgeräumt<br />
werden, dass Sicherheit nur Kosten, aber ke<strong>in</strong>en<br />
Nutzen hervorrufen würde. Klar ist, dass die Absicherung<br />
e<strong>in</strong>es Systems ke<strong>in</strong>e funktionale Erweiterung<br />
darstellt.<br />
Es ist aber ebenso akzeptiert, dass e<strong>in</strong> funktional sicherer<br />
Betrieb (im S<strong>in</strong>ne von Safety) ohne Datensicherheit<br />
(Security) nicht möglich ist. Können Funktionen durch<br />
Netzwerk- oder Geräteangriffe manipuliert, im zeitlichen<br />
Verhalten bee<strong>in</strong>flusst oder außer Betrieb gesetzt werden,<br />
kann die Verfügbarkeit empf<strong>in</strong>dlich e<strong>in</strong>geschränkt und<br />
der sichere Betrieb nicht mehr garantiert werden.<br />
Darüber h<strong>in</strong>aus ist die Nutzerakzeptanz e<strong>in</strong> wichtiges<br />
Kriterium. Sie ist gefährdet, falls Sicherheitslücken bekannt<br />
werden. Dies gilt im übergreifenden Fall e<strong>in</strong>er<br />
Akzeptanz durch die Bevölkerung für das Smart Meter<strong>in</strong>g<br />
genauso wie im speziellen Fall der Investitionsentscheider<br />
für automatisierungstechnische Anlagen. Auf<br />
der Kostenseite s<strong>in</strong>d die Total Cost of Ownership (TCOO)<br />
während der gesamten Lebensdauer und damit Investionen<br />
und Betriebsausgaben zu berücksichtigen.<br />
FAZIT UND AUSBLICK<br />
Mit den Schutzprofilen und den technischen Richtl<strong>in</strong>ien<br />
für die Anwendungen aus dem Smart Meter<strong>in</strong>g wurde<br />
für e<strong>in</strong>e limitierte Anwendung, die aufgrund ihres<br />
öffentlichen Charakters ohneh<strong>in</strong> staatliche Vorgaben<br />
erfüllen muss, e<strong>in</strong>e zeitgemäße und weitreichende Sicherheitsarchitektur<br />
entwickelt. Diese Architektur hält<br />
Gegenmaßnahmen für viele Risiken bereit, die auch <strong>in</strong><br />
den sich stets weiter entwickelnden Netzwerken der<br />
Automatisierungstechnik auftreten, dort aber bislang<br />
selten so übergreifend und nachhaltig beantwortet wurden.<br />
Deswegen ist zu hoffen, dass diese Sicherheitsarchitektur<br />
auch für diese Anwendungen Vorbild für neuere<br />
Entwicklungen se<strong>in</strong> wird. Die Gründe für diesen<br />
Optimismus liegen zum e<strong>in</strong>en <strong>in</strong> den immer höheren<br />
Anforderungen der Automatisierungstechnik an die<br />
Anlagensicherheit, die ohne Informationssicherheit<br />
nicht zu erreichen ist, und zum anderen an den immer<br />
ger<strong>in</strong>ger werdenden Kosten für die zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen.<br />
MANUSKRIPTEINGANG<br />
20.04.2013<br />
Im Peer-Review-Verfahren begutachtet<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
9 / 2013<br />
65
IMPRESSUM / VORSCHAU<br />
IMPRESSUM<br />
VORSCHAU<br />
Verlag:<br />
DIV Deutscher Industrieverlag GmbH<br />
Arnulfstraße 124, D-80636 München<br />
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Anne Purschwitz geb. Hütter<br />
Herausgeber:<br />
Dr.rer.nat. Thomas Albers<br />
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Prof. Dr.-Ing. Michael Felleisen<br />
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Automatisierungs technik)<br />
und der NAMUR (Interessengeme<strong>in</strong>schaft<br />
Automatisierungstechnik<br />
der Prozess<strong>in</strong>dustrie).<br />
Redaktion:<br />
Anne Purschwitz geb. Hütter (ahü)<br />
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Die <strong>atp</strong> wurde 1959 als „Regelungstechnische<br />
Praxis – rtp“ gegründet.<br />
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Die Zeitschrift und alle <strong>in</strong> ihr enthaltenen<br />
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ISSN 2190-4111<br />
DIE AUSGABE 10 / 2013 DER<br />
ERSCHEINT AM 09.10.2013<br />
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66<br />
<strong>atp</strong> <strong>edition</strong><br />
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IEC 61508, IEC 61511 oder VDI / VDE 2180? S<strong>in</strong>d Sie<br />
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Sicherheit zu verlassen? Dann s<strong>in</strong>d Sie hier richtig!<br />
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Josef Kuboth, Landesamt für Natur, Umwelt und<br />
Verbraucherschutz Nordrhe<strong>in</strong>-Westfalen<br />
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Anmeldung f<strong>in</strong>den Sie im Internet unter<br />
www.sil-sprechstunde.de<br />
DIV Deutscher Industrieverlag GmbH<br />
Anne Purschwitz geb. Hütter<br />
Arnulfstraße 124<br />
80636 München<br />
Tel.: +49 (0) 89 203 53 66-58<br />
Fax: +49 (0) 89 203 53 66-99<br />
E-Mail: purschwitz@di-verlag.de<br />
www.sil-sprechstunde.de<br />
Pepperl+Fuchs GmbH<br />
Sandra Achenbach<br />
Lilienthalstraße 200<br />
68307 Mannheim<br />
Tel.: +49 (0) 621 776-2176<br />
Fax: +49 (0) 621 776-1108<br />
E-Mail: sachenbach@de.pepperl-fuchs.com<br />
www.pepperl-fuchs.de
3. Feldbus-Sprechstunde<br />
Feldbus <strong>in</strong> der<br />
Prozess<strong>in</strong>dustrie<br />
19. + 20.9.2013, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH<br />
www.feldbus-sprechstunde.de<br />
Veranstaltungskonzept<br />
Haben Sie Fragen zum E<strong>in</strong>satz von Feldbussystemen <strong>in</strong> der<br />
Prozess<strong>in</strong>dustrie? Dann s<strong>in</strong>d Sie hier richtig! Reichen Sie Ihre<br />
Fragen zur Planung, Installation und Inbetriebnahme von<br />
Feldbussen e<strong>in</strong>. Diskutieren Sie mit Experten Ihre aktuellen<br />
Anliegen am 19. und 20. September 2013 <strong>in</strong> Mannheim!<br />
Teilnahmegebühren<br />
■ <strong>atp</strong> <strong>edition</strong>-Abonnenten 540 € zzgl. MwSt.<br />
■ Firmenempfehlung 590 € zzgl. MwSt.<br />
■ reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt.<br />
■ Studenten kostenlos<br />
(Universität, Fachhoch- / Duale Hochschule – Vorlage des<br />
Studentenausweises bei der Anmeldung erforderlich)<br />
Term<strong>in</strong> & Ort<br />
Term<strong>in</strong>: Do., 19.9.2013 + Fr., 20.9.2013<br />
Ort: Pepperl+Fuchs GmbH<br />
Lilienthalstr. 200<br />
68307 Mannheim<br />
Programm & Anmeldung<br />
Detaillierte Informationen zur Veranstaltung,<br />
das vollständige Programm sowie die Onl<strong>in</strong>e-<br />
Anmeldung f<strong>in</strong>den Sie im Internet unter<br />
www.feldbus-sprechstunde.de<br />
4. Explosionsschutz-Sprechstunde<br />
Explosionsschutz<br />
18. + 19.11.2013, Mannheim, Pepperl+Fuchs GmbH<br />
www.explosionsschutz-sprechstunde.de<br />
Veranstaltungskonzept<br />
Haben Sie Fragen zur Umsetzung der Betriebssicherheitsverordnung<br />
oder zur Anwendung der e<strong>in</strong>schlägigen Normen zum<br />
Explosionsschutz? Dann s<strong>in</strong>d Sie hier richtig! Reichen Sie Ihre<br />
Fragen rund um den Explosionsschutz e<strong>in</strong>. Diskutieren Sie mit<br />
Experten Ihre aktuellen Themen am 18. und 19. November<br />
2013 <strong>in</strong> Mannheim!<br />
Term<strong>in</strong> & Ort<br />
Term<strong>in</strong>: Mo., 18.11.2013 + Di., 19.11.2013<br />
Ort: Pepperl+Fuchs GmbH<br />
Lilienthalstr. 200<br />
68307 Mannheim<br />
Teilnahmegebühren<br />
■ <strong>atp</strong> <strong>edition</strong>-Abonnenten 540 € zzgl. MwSt.<br />
■ Firmenempfehlung 590 € zzgl. MwSt.<br />
■ reguläre Teilnahmegebühr 690 € zzgl. MwSt.<br />
■ Studenten kostenlos<br />
(Universität, Fachhoch- / Duale Hochschule – Vorlage des<br />
Studentenausweises bei der Anmeldung erforderlich)<br />
100 € Frühbucherrabatt bei Buchung bis 8.10.2013<br />
Programm & Anmeldung<br />
Detaillierte Informationen zur Veranstaltung,<br />
das vollständige Programm sowie die Onl<strong>in</strong>e-<br />
Anmeldung f<strong>in</strong>den Sie im Internet unter<br />
www.explosionsschutz-sprechstunde.de
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und Fragen zu Ihrer Planung.<br />
Inge Matos Feliz: Tel.: +49 89 203 53 66-22<br />
E-Mail: matos.feliz@di-verlag.de