atp edition Konzept offener Regler: FPGA in der Antriebstechnik (Vorschau)

6 / 2014 

56. Jahrgang B3654 

DIV Deutscher Industrieverlag GmbH 

Automatisierungstechnische Praxis 

Konzept offener Regler: 

FPGA in der Antriebstechnik | 26 

Engineering-Effizienz 

automatisch messen – Teil 2 | 34 

OPC UA für Industrie 4.0 | 44 

Virtuelle Inbetriebnahme 

in der Prozessindustrie | 52

update 

ATP EDITION | | BRANCHE | | VERANSTALTUNGEN | | FORSCHUNG | | PRODUKTE 

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DIE AUTOMATION 

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EDITORIAL 

Industrie 4.0 – 

mehr als ein Hype! 

Internet-Technologien haben unsere Welt in vielen Bereichen 

nachhaltig verändert. Die Geschäftsmodelle vieler Bereiche wie 

Versandhandel, Musikindustrie oder Printmedien wurden teilweise 

auf den Kopf gestellt. Google, Wikipedia, Facebook und 

Twitter sind Anwendungen, für die es vor zehn bis 15 Jahren noch 

nicht einmal ein Geschäftsmodell gab! 

Wird das „Internet der Dinge“ nun die industrielle Produktion 

in gleicher Weise umwälzen? Werden auch im Industriesektor in 

zehn bis 15 Jahren milliardenschwere Konzerne entstanden sein, 

deren Geschäftsmodelle in unserer heutigen Vorstellung noch 

gar nicht vorkommen? 

Die globale Vernetzung von Industrien stellt allerdings deutlich 

strengere Anforderungen an das Internet der Dinge. Auch in 

einem globalen Netz muss es mathematische, determinierte Modelle 

für Sicherheit und Verfügbarkeit geben, die weit über die 

heute verfügbaren Technologien hinausgehen. Hier sind Forschungs- 

und Entwicklungsaufwendungen erforderlich, die von 

einzelnen Unternehmen nicht geleistet werden können, ja vielleicht 

nicht einmal geleistet werden dürfen – ein europäischer 

Kraftakt, für den zahlreiche Köpfe aus der Industrie, vor allem 

aber aus der Forschung notwendig sind. Ohne determinierte Sicherheit 

und Verfügbarkeit wird das industrielle Internet der 

Dinge auf immer aus proprietären Insellösungen bestehen – weit 

entfernt von der Vision Industrie 4.0. 

Sicherheit und Verfügbarkeit im Internet der Dinge sind nichts 

anderes als eine unabdingbar notwendige Infrastruktur für die 

erfolgreiche Weiterentwicklung industrieller Tätigkeit in 

Deutschland und Europa. Für den Aufbau dieser Infrastruktur 

sind Industrie, Verbände, Forschung und Politik gleichermaßen 

gefordert. Hunderte von Einzelprojekten aus Dutzenden unterschiedlicher 

Fördertöpfe sind der falsche Weg. Nur eine gebündelte 

Aktion kann hier zielführend sein! 

DR.-ING. 

GUNTHER KEGEL, 

Vorsitzender der 

Geschäftsleitung 

Pepperl+Fuchs GmbH 

atp edition 

6 / 2014 

3

INHALT 6 / 2014 

FORSCHUNG 

6 | DFKI Bremen testet Tauchroboter realitätsnah und 

witterungsunabhängig in großem Salzwasserbecken 

Call for Experts: System-of-Systems Automation 

VERBAND 

8 | Westerkamp koordiniert VDI-Fachgesellschaften – 

GMA bekommt einen neuen Geschäftsführer 

Profibus-Nutzer bestätigen Vorstand und Beirat 

Der Zusammenschluss von Fieldbus Foundation und 

Hart Communication Foundation rückt näher 

BRANCHE 

10 | Sensorik und Messtechnik optimistisch: 

2014 soll erneut ein Plus von sieben Prozent erzielt werden 

Elektrische Automation erhofft leichtes Plus – 

Prozessautomatisierer wachsen gegen den Trend 

11 | Leitplanken für Industrie 4.0: Verbände wollen das 

Internet der Dinge geordnet aufs Gleis setzen 

VDI/VDE-Richtlinienentwurf: Praxistipps für die Nutzung 

berührungsloser Temperaturmesstechnik 

PRAXIS | SENSORTECHNIK 

12 | Embedded-Messsysteme für Oberflächen und Fluide: 

Farbsensoren bieten viele Möglichkeiten 

16 | Intelligent und effizient: Temperaturmessung mit 

Grenzwertschaltern schützt Mensch und Anlage 

18 | Kontinuierliche Messung des pH-Werts zeigt Lecks 

in Kühlanlagen mit Ammoniak zuverlässig an 

20 | Laufende Echtzeitmessung des Alkoholgehalts im 

Destillat sorgt für höchste Qualität der Brände 

22 | Wo hoch präzise Glasmaßstäbe schwächeln, 

punkten induktive Wegsensoren mit Robustheit 

4 


6 / 2014

PRAXIS 

24 | Aufgearbeitet statt neu: 

Perfektes Nachschleifen vervielfacht 

die Lebensdauer von Werkzeugen 

HAUPTBEITRÄGE 

Produkte, 

Systeme 

und Service 

für die 

Prozessindustrie? 

Natürlich. 

26 | Konzept offener Regler: 

FPGA in der Antriebstechnik 

P. ZAHN, I. LAPTEV UND A. VERL 

34 | Engineering-Effizienz 

automatisch messen – Teil 2 

R. DRATH, C. MESSINGER, B. SCHRÖTER, N. LI 

UND G. GUTERMUTH 

44 | OPC UA für Industrie 4.0 

K.-H. DEIRETSBACHER UND W. MAHNKE 

HAUPTBEITRAG | NAMUR-HAUPTSITZUNG 

52 | Virtuelle Inbetriebnahme 

in der Prozessindustrie 

RUBRIKEN 

R. CHAN UND M. KRAUSS 

3 | Editorial 

58 | Impressum, Vorschau 

Ist Ihre Produktionsanlage auf dem 

neuesten Stand? Sind alle Korrekturen 

im Leitsystem eingespielt? Sind alle 

Sicherheitslücken geschlossen? 

Ist Ihr System gegen Cyber-Angriffe 

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FORSCHUNG 

DFKI Bremen testet Tauchroboter realitätsnah und 

witterungsunabhängig in großem Salzwasserbecken 

3,4 MILLIONEN LITER SALZWASSER fasst das 

neue Testbecken für Robotik-Forschung. Bild: DFKI 

Das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz 

(DFKI) hat in Bremen seine Maritime Explorationshalle 

eröffnet. Kernstück der europaweit 

einmaligen Testanlage für Tauchroboter ist ein 3,4 Mio. 

Liter fassendes Salzwasserbecken. Hier entwickeln 

Wissenschaftler künftig Systeme, die zur Inspektion 

von Schiffen und Pipelines, zur Erkundung unbekannter 

Gewässer oder zur Reparatur von Offshore- 

Anlagen wie Windparks eingesetzt werden. Ein weiteres 

Anwendungsfeld ist das Erschließen von Bodenschätzen 

und Energiereserven aus der Tiefsee. 

Das 23 Meter lange, 19 Meter breite und acht Meter 

tiefe Salzwasserbecken schafft dafür ideale Forschungs- 

bedingungen, denn: „Testläufe sind von der Witterung 

unabhängig, kontrollier- und beobachtbar und vor allem 

realitätsnah“, erläutert Professor Dr. Frank Kirchner, 

Standortleiter des DFKI in Bremen und Direktor des 

Forschungsbereichs Robotics Innovation Center. Zusätzliche 

Labore komplettieren die neue Halle. Darunter 

sind eine Druckkammer, in der Komponenten bei 

Wasserdrücken geprüft werden, die bis zu 6000 Meter 

Tiefe entsprechen, weitere separate Wasserbassins und 

eine virtuelle 3D-Testumgebung. 

Mit der neuen Anlage erweitert das DFKI in Bremen 

seine Laborlandschaft, die bereits seit 2010 über eine 

Weltraum-Explorationshalle verfügt. Hier werden Roboter 

für Einsätze im All entwickelt und getestet. Beide 

Anwendungsfelder haben Gemeinsamkeiten: Sowohl 

unter Wasser als auch im Weltraum herrschen harsche 

Bedingungen, die spezielle Herausforderungen an autonom 

handelnde Roboter stellen, darunter Schwerelosigkeit, 

eingeschränkte Kommunikations- und Sichtmöglichkeiten. 

Ziel ist es, Erkenntnisse aus der Weltraumtechnik, 

die bereits seit 2006 intensiv erforscht 

wird, in maritime Technologien zu übertragen. Rund 

3,65 Mio. Euro wurden aus dem Europäischen Fonds für 

regionale Entwicklung (EFRE) und aus Mitteln des Landes 

Bremen für den Neubau zur Verfügung gestellt. Das 

DFKI kofinanzierte vier Mio. Euro. 

(gz) 

DEUTSCHES FORSCHUNGSZENTRUM FÜR 

KÜNSTLICHE INTELLIGENZ GMBH, DFKI, 

Trippstadter Straße 122, D-67663 Kaiserslautern, 

Tel. +49 (0) 631 20 57 50, Internet: www.dfki.de 

Call for atp experts: System-of-Systems Automation 

IN AUSGABE 56(12) DER ATP EDITION im 

Dezember 2014 diskutiert die atp edition 

die Standardisierung von Modulen und 

die Komposition von neuen Systemen aus 

bestehenden Systemen. Dieser Ansatz 

stellt einen Weg dar, um höhere Engineering-Effizienz 

und geringere Kosten 

durch Skaleneffekte zu erzielen. 

Die Ingenieurkunst bei dieser Aufgabe 

liegt nun darin, anstatt jedes Mal aus 

dem Vollen zu schnitzen die richtigen 

Systeme auszuwählen und diese mit minimalem 

Aufwand zu einem Gesamtsystem 

zusammenzustellen. Insbesondere 

in der Automobilindustrie, im Schiffbau 

und in der Kraftwerksindustrie wird dieser 

Lösungsweg erfolgreich eingeschlagen. 

In Ausgabe 56(12) wollen wir einen 

aktuellen Blick auf wissenschaftliche 

Grundlagen werfen und Ihre Lösungsansätze 

und praktischen Erfahrungen vorstellen. 

Wir bitten Sie, bis zum 8. August zu diesem 

Themenschwerpunkt einen gemäß 

der Autorenrichtlinien der atp edition 

ausgearbeiteten Hauptbeitrag per E-Mail 

an urbas@di-verlag.de einzureichen. 

Die atp edition ist die hochwertige Monatspublikation 

für Fach- und Führungskräfte 

der Automatisierungsbranche. In 

den Hauptbeiträgen werden die Themen 

mit hohem wissenschaftlichem und technischem 

Anspruch und vergleichsweise 

abstrakt dargestellt. Im Journalteil werden 

praxisnahe Erfahrungen von Anwendern 

mit neuen Technologien, Prozessen 

oder Produkten beschrieben. Alle Beiträge 

werden von einem Fachgremium begutachtet. 

Sollten Sie sich selbst aktiv an 

dem Begutachtungsprozess beteiligen 

wollen, bitten wir um kurze Rückmeldung. 

Für weitere Rückfragen stehen wir 

Ihnen selbstverständlich gerne zur Verfügung. 

Redaktion atp edition 

Leon Urbas, Aljona Hartstock, 

Gerd Scholz 

CALL FOR 

Aufruf zur Beitragseinreichung 

Thema: System-of-Systems Automation 

Kontakt: urbas@di-verlag.de 

Termin: 08. August 2014 

6 


6 / 2014

Skalierbare Steuerungstechnik 

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VERBAND 

Westerkamp koordiniert VDI-Fachgesellschaften 

– GMA bekommt einen neuen Geschäftsführer 

Dipl.-Ing. Dieter Westerkamp hat die Leitung 

des Bereichs „Technik und Wissenschaft“ 

im VDI übernommen. Er folgt damit 

auf Volker Wanduch, der nach 35 Jahren im 

DIETER WESTER- VDI altersbedingt ausscheidet. An wen Dieter 

Westerkamp seine bisherige Aufgabe als 

KAMP: Als VDI- 

Bereichsleiter Geschäftsführer der VDI/VDE-Gesellschaft 

für Wissenschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) 

und Technik abgibt, war bis Redaktionsschluss dieser 

koordiniert er nun Ausgabe der atp edition noch nicht bekannt. 

unter anderem die Westerkamp ist Ingenieur der Elektrotechnik 

und wechselte 1998 nach beruf- 

zwölf Fachgesellschaften. 

Bild: VDI lichen Stationen im Anlagenbau zum VDI. 

Hier begann er als Wissenschaftlicher Mitarbeiter 

in der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik 

(GMA), deren Geschäftsführung 

er 2002 übernahm. Im weiteren Verlauf wurden 

ihm im VDI Tätigkeiten als Abteilungsleiter und als 

Stellvertreter des Bereichsleiters „Technik und Wissenschaft“ 

übertragen. 

Zu seinen Aufgaben gehört die Koordination der Aktivitäten 

der zwölf VDI-Fachgesellschaften mit ihren 

großen Netzwerken von etwa 10.000 ehrenamtlich tätigen 

Experten aus Wirtschaft, Wissenschaft und Verwaltung. 

In rund 600 Fach- und Richtlinienausschüssen 

erfolgt für alle Beteiligten ein wertvoller Wissens- und 

Erfahrungstransfer. Ein einzigartiges Know-how wird 

dort gebündelt. Die Ergebnisse der Gremientätigkeit münden 

unter anderem jährlich in über 230 VDI-Richtlinien, 

die den aktuellen Stand der Technik wiedergeben und 

eine wichtige Unterstützung und Entscheidungsgrundlage 

für die Arbeit von Ingenieuren darstellen. (gz) 

VDI – VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE E.V., 

VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf, 

Tel. +49 (0) 211 621 40, Internet: www.vdi.de 

Profibus-Nutzer bestätigen Vorstand und Beirat 

Vorstand und Beirat der Profibus-Nutzerorganisation 

(PNO) bleiben nahezu unverändert. Die Mitgliederversammlung 

bestätigte die drei Vorstandsmitglieder für 

weitere drei Jahre in ihren Ämtern: den Vorstandsvorsitzenden 

Karsten Schneider (Siemens AG) sowie als weitere 

Vorstandsmitglieder Klaus-Peter Lindner (Endress + Hauser 

Process Solutions) und Prof. Dr. Frithjof Klasen (Institut 

Automation & Industrial IT, AIT) der FH Köln. 

Wiedergewählt wurden ebenfalls die Beiräte Dr. Thomas 

Albers (Wago), Christoph Behler (Mitsubishi Electric), 

Jürgen George (Pepperl+Fuchs), Uwe Gräff (Festo), 

Ernst Jäger (Emerson), Martin Müller (Phoenix Contact) 

sowie Gerhard Mutter (Sick). Neu aufgenommen in den 

Beirat wurde Henk van der Bent von Yokogawa. 

Der Beirat steuert technische Ausrichtung und Weiterentwicklung 

von Profibus, Profinet und IO-Link. Die 

Beiräte werden in ihrer Arbeit durch die Leiter der sechs 

Technical Committees der PNO unterstützt. (gz) 

PROFIBUS-NUTZERORGANISATION, 

Haid-und-Neu-Straße 7, D-76131 Karlsruhe, 

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

8 

Der Zusammenschluss von Fieldbus Foundation 

und Hart Communication Foundation rückt näher 

Der Zusammenschluss der Fieldbus Foundation mit 

der Hart Communication Foundation rückt offenbar 

in Reichweite. Die Fieldbus Foundation verkündete 

jüngst, die Verhandlungen über eine Fusion seien erheblich 

vorangekommen. 

Beide Organisationen hatten im September ein Memorandum 

of Understanding unterzeichnet. Seither haben 

Teams beider Seiten die Aspekte des möglichen Zusammenschlusses 

diskutiert. Untersucht werden dabei mögliche 

Vorteile für Endnutzer, Zulieferer und die beiden 

Organisationen selbst, mögliche Strukturen einer fusionierten 

Organisation sowie die finanziellen und rechtlichen 

Aspekte. Erste Ergebnisse ließen den Zusammenschluss 

als sinnvoll erscheinen. 

Wenn die Arbeitsgruppen ihre Untersuchungen beendet 

haben, sollen sie den Vorständen beider Organisati- 


6 / 2014 

onen einen Ergebnisbericht und Empfehlungen vorlegen. 

Fieldbus- und Hart-Vorstände entscheiden dann 

separat über die Fortführung der Fusionsbemühungen. 

Fieldbus Foundation und Hart Communication Foundation 

kennen sich schon lange aufgrund intensiver 

Zusammenarbeit. Beispielsweise kooperierten beide bei 

Entwicklung gemeinsamer internationaler Standards 

wie der Electronic Device Description Language (EDDL) 

und zuletzt bei der Spezifikation für die Field Device 

Integration (FDI). 

(gz) 

FIELDBUS FOUNDATION, 

9005 Mountain Ridge Drive, Bowie Bldg – Suite 200, 

Austin, TX 78759-5316, USA, 

Tel. +1 (0) 512 794 88 90, 

Internet: www.fieldbus.org

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Leserservice atp 

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97091 Würzburg 

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Branche / Wirtschaftszweig 

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✘ 

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PAATPE2014 

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BRANCHE 

Sensorik und Messtechnik optimistisch: 2014 soll 

erneut ein Plus von sieben Prozent erzielt werden 

Die Unternehmen der Sensorik und Messtechnik gehen 

mit breiter Brust in die Messe Sensor + Test Anfang 

Juni in Nürnberg. Die Branche hat in den vergangenen 

knapp zehn Jahren ein enormes Wachstum erlebt 

– und rechnet für 2014 mit einer Fortsetzung des positiven 

Trends. Trotz des Einbruchs von 2009 ergibt sich 

im Mittel seit 2005 ein jährliches Plus von 6,3 Prozent. 

„Die Geschäftserwartungen unserer Mitglieder stehen 

auf Wachstum“, fasst Thomas Simmons, Geschäftsführer 

des AMA Verband für Sensorik und Messtechnik, 

die aktuelle Branchenauswertung zusammen. „Eine 

‚Industrie 4.0‘ ist ohne intelligente Sensoren und Mess- 

Umsatz Sensorik und Messtechnik 

Jahreswerte, Vergleich mit 2005 (Index 100%) 

180% 

160% 

140% 

120% 

100% 

2008 

2009 

zum Vergleich: 

+6,3% pro Jahr 

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 

DER GIPFELSTURM 

GEHT WEITER: 

Die Branche hat den 

Einbruch von 2009 

komplett wettgemacht. 

Quelle: AMA Verband für 

Sensorik und Messtechnik 

technik nicht umsetzbar, nicht zuletzt deshalb blickt 

unsere Branche zuversichtlich auf das laufende Geschäftsjahr.“ 

Aus einer Umfrage des AMA unter seinen Mitgliedern 

ergibt sich, dass der Branchenumsatz 2013 um drei Prozent 

zulegte. Für das laufende Jahr erwarten die AMA- 

Mitglieder ein weiteres, deutliches Umsatzwachstum 

von sieben Prozent. 

Sehr hoch liegt die Quote der Forschungs- und Entwicklungsausgaben 

bei den Unternehmen der Sensorik 

und Messtechnik. Die überwiegend mittelständischen 

Unternehmen investieren zehn Prozent des Umsatzes in 

Forschung und Entwicklung. Die Exportquote der AMA 

Mitglieder stabilisierte sich 2013 mit 40 Prozent auf Vorjahresniveau. 

Exporte ins europäische Ausland stiegen 

wieder um drei Prozentpunkte auf 25 Prozent an. Die 

Exportquote ins nicht europäische Ausland sank um 

zwei Prozentpunkte auf 17 Prozent. 

Die Branche investiert und steigerte die Investitionen 

im letzten Jahr um weitere drei Prozent, für das Geschäftsjahr 

2014 rechnen AMA-Mitglieder mit einem 

Investitionsanstieg von acht Prozent. Auch die Zahl der 

Mitarbeiter dürfte weiter zunehmen. 

(gz) 

AMA FACHVERBAND FÜR SENSORIK E.V., 

Sophie-Charlotten-Str. 15, 

D-14059 Berlin, 

Tel. +49 (0) 30 221 90 36 20, 

Internet: www.ama-sensorik.de 

10 

Elektrische Automation erhofft leichtes Plus – 

Prozessautomatisierer wachsen gegen den Trend 

Die deutsche Automatisierungsindustrie geht von einer 

Rückkehr zu leichtem Wachstum im laufenden 

Jahr aus, nachdem man 2013 eine Stagnation erlebte. Die 

Teilbranche Prozessautomatisierung allerdings konnte 

im vorigen Jahr mit einem Plus von 2,8 Prozent besser 

abschneiden. Daniel Huber, im Vorstand des ZVEI-Fachverbands 

Automation für diese Technologie zuständig, 

berichtet: „Nach dem starken Wachstum in den USA 

durch die Fracking-Technologie in den zurückliegenden 

Jahren, betrug der Umsatz-Zuwachs 2013 dort nur noch 

0,5 Prozent. Nur das Geschäft mit China konnte 3,7 Prozent 

Wachstum generieren.“ 

„Die gesamte Elektroindustrie erwartet 2014 etwa 

zwei Prozent Wachstum. Von der Automation glauben 

wir, dass sie noch eine Schippe drauflegen kann“, gab 

sich Dr.-Ing. Gunther Kegel, Vorstandsvorsitzender des 

ZVEI-Fachverbands Automation, vorsichtig optimistisch. 

Der Umsatz mit elektrischer Automatisierungstechnik 

ist im gesamten Jahr 2013 um 0,3 Prozent auf 

47,5 Milliarden Euro zurückgegangen. 

Der Export konnte 2013 um 2,2 Prozent auf 33,1 Milliarden 

Euro zulegen nach plus 3,8 Prozent im Jahr zuvor. 


6 / 2014 

Die Exportquote der deutschen Automatisierungsindustrie 

liegt damit weiterhin über 80 Prozent. „Die stärksten 

Exportmärkte waren China mit 13 Prozent und die USA 

mit elf Prozent Anteil. Beide kamen auf ein Wachstum 

von jeweils sechs Prozent“, so Kegel. 

Die Importe von elektrischer Automatisierungstechnik 

sind um 3,8 Prozent auf 17,7 Milliarden Euro gewachsen. 

Das Wachstum der Einfuhren aus China betrug 

8,4 Prozent auf 1,6 Milliarden Euro. Der überwiegende 

Teil davon sind laut ZVEI ‚Inter-Company-Importe‘ deutscher 

Unternehmen. Risiken für die Automatisierungskonjunktur 

sieht Kegel im Konflikt um die Ukraine. 

Bereits jetzt verschöben oder stornierten russische Unternehmen 

Investitionen. 2013 exportierte die Automationsbranche 

Produkte für eine Milliarde Euro nach 

Russland und der Bestand an Direktinvestitionen liegt 

bei 1,2 Milliarden Euro. 

(gz) 

ZVEI – ZENTRALVERBAND ELEKTROTECHNIK- UND 

ELEKTRONIKINDUSTRIE E.V., 

Lyoner Straße 9, D-60528 Frankfurt am Main, 

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

Leitplanken für Industrie 4.0: Verbände wollen 

das Internet der Dinge geordnet aufs Gleis setzen 

Das Zukunftsthema Industrie 4.0 wollen mehrere Verbände 

nicht dem Zufall überlassen, sondern in erfolgversprechende 

Bahnen lenken. Um die Diskussion voranzubringen, 

hat etwa der VDI kürzlich drei Statusberichte 

zu Wertschöpfungsketten, Komponenten und Referenzmodellen 

zum Thema Industrie 4.0 in Deutschland 

veröffentlicht. Die VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und 

Automatisierungstechnik (GMA) hebt in diesem Zusammenhang 

hervor, damit Industrie 4.0 Realität werde, 

müssten die richtigen Voraussetzungen geschaffen werden. 

Es seien globale Standards notwendig. Den weltweiten 

Wettlauf werde jenes Land gewinnen, das die beste 

Strategie sowie nutz- und gewinnbringende Ideen für 

Geschäftsmodelle präsentiere. Ob Deutschland in Zukunft 

die Nase vorn haben werde, sei eine Frage der 

schnellen Umsetzung, der gemeinsamen Überwindung 

von Herausforderungen wie Standardisierung, sichere 

IT-Strukturen sowie geeignete Businessmodelle. Unter 

www.vdi.de/industrie40 stehen die Reporte zur Einsicht 

bereit. Die Statusberichte „Industrie 4.0 – IT Security“ 

und „Industrie 4.0 – Leitsystem“ sollen noch 2014 folgen. 

Die Experten der DKE arbeiteten beim Industrial Automation 

Forum der International Electronic Commission 

(IEC) mit Kollegen aus der ganzen Welt an grundlegenden 

Standards für das industrielle Internet der 

Dinge. Entscheidend für die Realisierung von Industrie 

4.0, so betont man bei der DKE, werde die Fähigkeit etwa 

von Produkten oder Maschinen sein, in einer vernetzten 

Umgebung Informationen über sich zu liefern. Hierfür 

sei es notwendig, dass für alle Einheiten des Produktionsprozesses 

Merkmale hinterlegt sind, die sie eindeutig 

identifizieren. Die Experten arbeiteten daher weiter an 

der internationalen Normenreihe IEC 61987, die im Hinblick 

auf die Semantik die nötigen Festlegungen liefert. 

Ebenfalls diskutiert wurde die internationale Norm 

IEC 62541 zum Software-Schnittstellen-Standard OPC 

UA (Unified Architecture) als Middleware-Lösung der 

Industrieautomation. Sie ermöglicht die Kommunikation 

zwischen Programmen und Geräten und normt hier- 

für Dienste die sich für Industrie 4.0 sehr gut eignen. 

Zudem gingen die Experten das Auseinanderklaffen der 

Lebenszyklen von Software und Anlagen in einer Industrie-4.0-Umgebung 

an. Mit der künftigen IEC 62890 zum 

Life-Cycle-Management wollen sie die Grundlage für 

vertragliche Vereinbarungen liefern, mit denen sich Anlagenbetreiber 

üblicherweise vor Nachrüstungen oder 

Re-Engineering-Maßnahmen in Maschinen und Anlagen, 

die allein aufgrund eines Softwarewechsels notwendig 

werden, schützen wollen. 

Zudem haben DKE und ETSI (European Telecommunications 

Standards Institute) eine Zusammenarbeit im 

Bereich Industrie 4.0 beschlossen. Im Rahmen der Kooperation 

könnte ETSI Spezifikationen im Bereich der 

Kommunikation beistellen, die etwa IEC-Komitees über 

eine noch festzulegende Schnittstelle nutzen. ETSI will 

bis zum Sommer kommunikationsbezogene Spezifikationen 

für die Weiterentwicklung der deutschen Normungroadmap 

über Industrie 4.0 identifizieren. (gz) 

DKE: www.dke.de 

GMA: www.vdi.de; www.vdi.de/industrie40 

IEC: www.iec.ch 

DIE VORTEILE VON 

INDUSTRIE 4.0 

werden sich nur 

umfassend nutzen 

lassen, wenn dafür 

die Voraussetzungen 

wie etwa akzeptierte 

Normen geschaffen 

werden. 

Bild: Thomas Ernsting/LAIF 

VDI/VDE-Richtlinienentwurf: Praxistipps für die 

Nutzung berührungsloser Temperaturmesstechnik 

Wenn Temperaturen berührungslos zur Prozesskontrolle 

oder -regelung gemessen werden müssen, 

kommen Strahlungsthermometer zum Einsatz. 

Im Richtlinienentwurf VDI/VDE 3511 Blatt 4.5 gibt der 

Fachausschuss 2.51 Angewandte Strahlungsthermometrie 

der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik 

(GMA) nun Anleitungen für die Praxis. 

Unter dem Titel „Technische Temperaturmessung; 

Strahlungsthermometrie; Praktische Anwendung von 

Strahlungsthermometern“ wird etwa beschrieben, wie 

Medien zwischen dem Messobjekt und Thermometer, 

die Messfeldgröße und die Einstellzeit des Thermome- 

ters die Messgenauigkeit beeinflussen. Es werden auch 

Hinweise zur Auswahl des geeigneten Wellenlängenbereichs 

für die Messung gegeben. Nach der sechsmonatigen 

Einspruchsfrist und der Behandlung etwaiger 

Einsprüche, die die gesamte interessierte Öffentlichkeit 

erheben kann, wird die Richtlinie als zweisprachige 

Fassung in Deutsch und Englisch veröffentlicht. (gz) 

VDI/VDE-GESELLSCHAFT MESS- UND 

AUTOMATISIERUNGSTECHNIK (GMA), 

VDI-Platz 1, D-40468 Düsseldorf, 

Tel. +49 (0) 211 621 40, Internet: www.vdi.de 


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Embedded-Messsysteme für Oberflächen und 

Fluide: Farbsensoren bieten viele Möglichkeiten 

Methode muss passend zu den Eigenschaften der zu untersuchenden Substanz gewählt werden 

Bei der Entwicklung von Embedded-Farbmesssystemen 

ist es wichtig zu wissen, welche Messgenauigkeit 

und Systemelektronik benötigt wird. Soll es ein 

Handheld-Gerät oder ein Inline-System sein? Dieser 

Beitrag zeigt, wie fluid- oder farbstoffbasierte Anwendungen 

von intelligenten Messsystemen und -aufbauten 

profitieren können. 

Bei der Farbmessung ist es je nach Anwendung wichtig 

zu wissen, wie genaue Messwerte ohne Drifteffekte 

erzielt werden können. Farbmessung und Farbwahrnehmung 

beruhen auf drei Variablen: Objekt, Licht, 

Beobachter. 

‚Weißes Licht‘ wird oft als farblos wahrgenommen, 

aber in Wirklichkeit beinhaltet es alle Farben des sichtbaren 

Spektrums. Wenn weißes Licht ein Objekt erreicht, 

wird nur eine ausgewählte Menge an Farbe blockiert 

beziehungsweise reflektiert. Was bleibt, ist die 

Farbe, die wahrgenommen wird. 

Wenn eine oder mehrere Variablen sich ändern, 

kann Farbe anders wahrgenommen werden. Diese Variablen 

können bei einem Projekt hilfreich sein oder 

ein technologisches Hindernis darstellen. Deshalb ist 

es wichtig, den gesamten Messaufbau zu bewerten, 

bevor ein allgemeiner technologischer Ansatz ausgewählt 

wird. 

Änderungen der Variablen können beabsichtigt sein, 

um die Werte für die statistische Auswertung verwenden 

zu können (siehe Regressionsanalyse). Diese Methode 

schätzt die Beziehungswerte zwischen den Variablen 

ein und ermöglicht Rückschlüsse, die auf Unterschieden 

in Farbe und Spektrum basieren. Selbst bei 

scheinbar farblosen Objekten oder Flüssigkeiten lassen 

sich deren spezifische Eigenschaften über das hyperspektrale 

Verfahren analysieren. 

So kann der Ausgabewert der jeweiligen Applikation 

stark abweichen, wenn sich beispielsweise der Einfallswinkel 

verschiebt oder die Verwendung des Beobachters 

(Detektors) verändert wird. 

Im Folgenden werden Anwendungsbeispiele zur Qualitätskontrolle 

sowie der Automatisierungs-, Lebensmittel- 

und Verarbeitungsindustrie genauer betrachtet. 

Was mit True-Color-Sensoren (XYZ-Sensoren mit 

Normspektralwertfunktion) oder Multi-Spektral-Sensoren 

(Quasi-Spektrale-Sensoren) möglich ist, wird 

anhand von Messwerten und Genauigkeiten gezeigt. 

GLUKOSE, PH UND CHEMIKALIEN 

Die häufigsten Messungen in Bio-Analytik, Qualitätsmanagement, 

Lebensmittelverarbeitung oder der medizinischen 

Industrie sind Glukose- oder pH-basiert. 

Das Pyranoseoxidase-Verfahren wird für Glukosemessungen 

mit Farbsensoren genutzt. Für diesen auf 

Transmission basierenden Testaufbau wurden Glukosemessungen 

über indirekte Bestimmung durchgeführt. 

Dabei wurde ABTS als Redox-Indikator für den 

sichtbaren Spektralbereich verwendet. Der Anteil des 

einfallenden Lichts bei einer bestimmten Wellenlänge 

ließ sich so messen. 

Einige der untersuchten Substanzen waren farblos 

und wurden zum Beispiel via Fluoreszenz-Verfahren 

gemessen. Farblose Chemikalien reagieren bei diesem 

Verfahren unterschiedlich bei bestimmten Wellenlängen 

und lassen sich somit analysieren. Als Indikator 

wurde ABTS verwendet. Er bewirkt, dass die gemessenen 

Substanzen zu einem grünen Farbbereich 

reagieren. 

Mit dem Testaufbau wurden außerdem Glukose-Messungen 

von Softdrinks vorgenommen. Der Glukose- 

Anteil bei Cola und Sprite beträgt etwa 95+ mg/l, bei 

Eistee 50+ mg/l und fast 40 mg/l bei Fruko, einem regionalen 

Erfrischungsgetränk aus der Türkei. 

Mit Handheld-Geräten können Proben unterwegs 

analysiert werden. Um eine Messung einzuleiten, wird 

eine Zero-Messung der Probe durchgeführt. Es wird der 

entsprechende Indikator zugegeben, eine zweite Messung 

ermöglicht eine genaue Bestimmung der Probenzusammensetzung. 

Mit dieser Methode lassen sich nicht nur Glukoseoder 

pH-Werte ermitteln, sondern auch andere chemische 

Zusammensetzungen in den Proben. Zum Beispiel 

Chlor, Kupfer, Nitrit oder Phosphat. 

Bei der pH-Wertermittlung mittels Absorptionsmessung 

wurden Genauigkeitswerte im Bereich von 0,1 

erzielt. Wenn das Prinzip der Absorptionsmessung 

nicht genau genug ist, können die Ergebnisse mit Hilfe 

von Fluoreszenz-Messungen verbessert werden. Im 

Testaufbau gelang es, Rodamin 6G und Cumarin 1 mit 

einer Genauigkeit von 10-6 mol/l zu messen. Bei einer 

Schichtdicke von 200 µm Toluidinblau konnte eine 

Konzentration von 10 µmol detektiert werden. 

SPRIT UND MINERALÖLE 

Kraftstoffe und Erdölerzeugnisse sind meist strengen 

Regulierungen der internationalen Industrie unterzogen. 

Die Farbe des Kraftstoffs oder Petroleums ist ein 

Indikator für verschiedene Elemente, beispielsweise 

Steuerklassen oder Nutzungsdomänen. 

Die ASTM D1500, Pt-Co- oder Gardner-Farb skalen 

beschreiben Farbunterschiede von gelb-weißlich bis 

dunkel-orange-braun. 

Die Norm ASTM D 6045 beschreibt das Normspektral-Wertmessverfahren 

von Saybolt und ASTM Farben. 

Die Farbpalette ähnelt jener im Bild rechts (Erdöl-Farbtafel). 

Die Saybolt-Farbskala wird zur Einstufung 

von hellen Erdölprodukten, einschließlich Flugkraftstoffen, 

Kerosin sowie Naphtha, Weißölen oder 

Kohlenwasserstoffen verwendet. Die ASTM-Farbskala 

wird hingegen für dunklere farbige Erdölprodukte 

eingesetzt. Es ist eine komplexe Aufgabe, den Unterschied 

zwischen einzelnen Saybolt-Proben zu messen, 

da die Farbunterschiede mit dem menschlichen 

Auge oft kaum sichtbar sind. 

12 


6 / 2014

MnO 4 

0,55mg/l 11 

pH 

11,5 

NH 4 

0,05mg/l 

MITTELS FARBMESSUNG 

lassen sich selbst 

scheinbar farblose 

Substanzen bestimmen. 

QUASISPEKTRUM 

VON RODAMIN 6G 

(absorptions- und 

emmissionsbasierend). 

Bilder: Mazet 

SOFTDRINK-GLUKOSEMESSUNGEN 

via Farbsensoren. 

BEISPIELHAFTE 

DARSTELLUNG 

einer üblichen 

Erdöl-Farbtafel. 

NORMSPEKTRALWERTANALYSE von Saybolt-Proben. 

Bei einem spezifischen Testaufbau sind die Sensoren 

in der Lage, selbst feine Farbunterschiede zu erkennen. 

Um jedoch die besten Ergebnisse in Flüssigkeitsmessungen 

oder anderen auf Flüssigkeit basierenden Anwendungen 

zu erreichen, sollten die mathematischen 

Algorithmen hinter dem Detektionsprozess optimiert 

werden. So können spektrale Informationen mit hoher 

Genauigkeit erfasst werden. 

Dabei können Simulationen von komplexen Nachweismethoden 

helfen. Der Algorithmus der Partikelschwarm-Optimierung 

betrachtet zum Beispiel die 

bekannten Eigenschaften der verwendeten Farbsen- 


6 / 2014 

13


soren. Mithilfe solcher Optimierungsverfahren lassen 

sich Unterschiede zwischen scheinbar gleichfarbigen 

Flüssigkeiten detektieren. 

Die folgenden Messungen zeigen die Farbkoordinaten 

von mehreren gemessenen Flüssigkeitsproben im Saybolt-Bereich 

innerhalb des CIE-Farbraums. Die Bereichswerte 

sind in der Norm festgelegt und zeigen, wie 

genau ein Farberkennungssystem sein muss, um die 

gegebene Norm zu erfüllen. 

DRUCKINDUSTRIE 

Die Druckindustrie hat hohe Ansprüche an Farben und 

deren Reproduzierbarkeit. Was passiert, wenn die Corporate-Farben 

sich während einer Inline-Produktion 

ändern? Wird die Produktion in dieser Zeit angehalten 

werden? Kostet jeder Druckfehler zusätzlich Geld? 

Ziel war es, einen Testaufbau zu entwerfen, der 

absolute Farbwerte für Druckfarben liefert. Die gemessenen 

Werte wurden mit den Referenzwerten 

eines Spektrometers verglichen, um die erforderliche 

Zielgenauigkeit bewerten zu können. Ein Vorteil von 

Multi-Spektral-Sensoren ist die höhere Genauigkeit 

und die Möglichkeit, spektrale Näherungsverfahren 

verwenden zu können. Wenn die Druckfarben bekannt 

sind, können Ergebnisse durch Kalibrierung 

der spezifischen Farben verbessert werden. Eine absolute 

Genauigkeit von ∆E00

CYAN-DRUCKFARB-BEISPIEL nach 

Optimierung bei einem Wert von ∆E00 = 0,25. 

BEISPIELHAFTE PROBENMESSREIHE 

im CIE1931-Farbraum. 

schiedliche Anwendungsbereiche zu entwickeln. Die 

kompakte Baugröße ermöglicht den Einsatz in mobilen 

Geräten oder engen Umgebungen. Es ist notwendig zu 

wissen, welche Art von Detektor im Testaufbau eingesetzt 

wird und wie die Messungen durchgeführt werden 

sollen. 

Die Wahl der richtigen Messmethode (Emission, Remission, 

Transmission) ist für eine genaue Bewertung 

von verschiedenen Substanzen oder Elementen sehr 

wichtig. Zum Beispiel reagieren Flüssigkeiten anders 

als feste Objekte, Reflexion oder Fluoreszenz erfordern 

einen veränderten Messaufbau. 

Die Messungen bestätigen, dass die Farbwahrnehmung 

nicht mit üblichen physikalischen Größen wie 

Spannung, Druck oder Dichte verglichen werden kann. 

Da die Hauptvariablen der Farberkennung sich applikativ 

stark unterscheiden (Objekt, Licht und Beobachter), 

sollten Farbmessaufgaben auf die jeweilige Anwendung 

optimiert und kalibriert werden. Definierte Referenzoder 

Zielwerte müssen gesetzt werden, um das spezifische 

∆E00 von Farbkoordinaten in bestimmten Farbräumen 

zu vergleichen. 

Bei allen Messungen konnte die Genauigkeit der Werte 

durch Einsatz von intelligenten Optimierungsprozessen 

und Algorithmen gesteigert werden. 

AUTOREN 

M.A. KEVIN 

JENSEN ist 

zuständig für 

International 

Sales & 

Marketing bei 

Mazet in Jena. 

Dipl.-Inf. (FH) 

MICHAEL 

GÖPFERT ist 

Application 

Engineer bei 

Mazet in Jena. 

B. Eng. 

PAUL-GERALD 

DITTRICH ist 

Netzwerkmanager 

bei 

SpectroNet in 

Jena. 

Mazet GmbH, 

Göschwitzer Straße 32, D-07745 Jena, 

Tel. +49 (0) 3641 28 09 47, E-Mail: kevin.jensen@mazet.de 


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Intelligent und effizient: Temperaturmessung mit 

Grenzwertschaltern schützt Mensch und Anlage 

Überwachung elektrischer Maschinen mit Interfacemodulen als Alternative zu Prozessleitsystemen 

MODULE DES K-SYSTEMS werden auf 

dem Power Rail montiert – redundante 

Versorgung und Sammelfehlermeldung 

inklusive. 

Bilder: Pepperl+Fuchs 

z. B. 

PT100 

*-GUT-* 

DAS INTERFACEMODUL 

überwacht die Temperatur 

mit einer Dreileitermessung 

und schaltet 

beim Überschreiten 

eines Grenzwertes ein 

Relais am Ausgang. 

Elektrische Maschinen sind aus der Automatisierungstechnik 

nicht wegzudenken. Vor allem als 

Antriebe beispielsweise für Förderschnecken und -bänder 

sowie für Pumpen erfüllen sie elementare Funktionen. 

Ausfall, Überlastung oder Fehlfunktion von elektrischen 

Maschinen können in der Prozessindustrie 

weitreichende Auswirkungen haben. Daher sind Überwachungskonzepte 

erforderlich, die sicherheitsrelevante 

Störungen erkennen und Maschinen abschalten 

können. Diese Aufgabe müssen nicht zwingend Prozessleitsysteme 

oder SPSen übernehmen. Eine wirtschaftliche 

Lösung lässt sich auch durch den Einsatz 

von Trennbausteinen mit Grenzwertrelais realisieren. 

FEHLFUNKTIONEN STELLEN GEFAHREN 

FÜR MENSCH UND ANLAGE DAR 

Die Auswirkungen der Fehlfunktionen elektrischer 

Maschinen können beachtlich sein. Die falsche Drehrichtung 

einer Welle aufgrund einer umgekehrten Phasenfolge 

am Motor führt dazu, dass Transportgut auf 

Bändern oder Schnecken in die falsche Richtung befördert 

wird. Eine zu hohe Drehzahl kann zu mechanischen 

Schäden der Wellenlager führen. Werden Synchronmaschinen 

beispielsweise bei Inselnetzen zu 

stark belastet, droht die Gefahr eines Stillstandes. Die 

Überhitzung von Komponenten aufgrund mechanischer 

oder elektrischer Wärmeentwicklung kann zu 

Schäden an den Geräten selbst führen, aber auch zu 

einer Gefahr für Personal und Anlage werden. 

ÜBERWACHUNGSZIELE AM BEISPIEL 

DER TEMPERATURMESSUNG 

Daher muss es das Ziel eines Überwachungskonzeptes 

sein, sicherheitsrelevante Parameter zuverlässig zu kontrollieren 

und im Störfall das betreffende Gerät abzuschalten. 

So können Gefahren für Mensch und Natur, 

Beschädigungen der Maschine sowie ein Anlagenstillstand 

verhindert werden. 

Bei Temperaturmessungen an elektrischen Maschinen 

sind vor allem die Messwerte von Stator, Lagern 

und Oberflächen relevant. Sie spiegeln beispielsweise 

Anomalien bei Erregerströmen, Schmiermitteldruck 

oder Kühlung wider. Ist die elektrische Maschine als 

Antrieb einer Pumpe eingesetzt, kann auch die Überwachung 

der Temperaturen von Förderflüssigkeiten 

sinnvoll sein, um eine Überlastung des Antriebes zu 

verhindern. Hier kann eine Temperaturüberwachung 

zur Erkennung und Vermeidung von unzulässig hohen 

Temperaturen dazu genutzt werden, das Anfahren der 

Pumpe solange zu verzögern bis der Stockpunkt des 

Fördermediums über der Umgebungstemperatur liegt. 

Im Gegensatz zu Parametern wie Drehzahl oder Drehrichtung 

sind Temperaturänderungen nicht offensichtlich 

und mit menschlichen Sinnen nicht ohne weiteres 

zu erfassen. Die Messung von Temperaturen ist zudem 

durch Nicht-Linearität gekennzeichnet, die bei Messung, 

Übertragung und Auswertung der Größe berücksichtigt 

werden muss. 

REALISIERUNG MIT TRENNBAUSTEINEN 

Grenzwerte können beim Vorhandensein eines Prozessleitsystems 

oder einer SPS in der zentralen Steuerung 

hinterlegt werden, sodass beim Erreichen oder Überschreiten 

dieser Werte definierte Prozesse ausgelöst 

werden – im einfachsten Fall die Abschaltung der betreffenden 

Komponente. 

Aufgrund der in der Regel langen und damit störanfälligen 

Signalwege zwischen Feldebene und Steuerung 

sind Trennbausteine zu verwenden – entweder als 

Trennbarrieren, um den explosionsgefährdeten Bereich 

vor zu hohem Energieeintrag zu schützen oder als Signaltrenner 

für den sicheren Bereich: Auch zwischen 

16 


6 / 2014

den nicht-explosionsgefährdeten Bereichen im Feld 

und der Steuerung ist dringend eine galvanische Trennung 

geboten. Sie bietet wirksamen Schutz gegen Potentialverschiebungen 

und Ausgleichsströme durch 

Erdschleifen oder nach dem Austausch von Eingangskarten 

in der Steuerung, gegen elektromagnetische Störungen 

oder auch gefährlich hohe Spannungen auf den 

Signalleitungen im Fehlerfall. 

Trennungen in der Steuerung befinden sich in der 

Regel zwischen den Eingangskarten und der Prozessoreinheit 

und können daher nicht den Schutz von Signaltrennern 

ersetzen. Werden als Trennbausteine 

Temperaturmessumformer mit parametrierbaren 

Grenzwertausgängen ausgeführt, stehen am Relaisausgang 

bereits Schaltsignale zur Verfügung, ohne auf eine 

zentrale Steuerung zurückgreifen zu müssen. 

SYSTEM BESTIMMT DEN BENEFIT 

Die effiziente Realisierung der Überwachung von sicherheitsrelevanten 

Parametern ist an einige Voraussetzungen 

geknüpft. So sollten Temperaturmessumformer 

für alle Arten von bei Temperaturmessungen vorkommenden 

Messgrößen geeignet sein (Thermoelement, Widerstandsthermometer, 

Potentiometer oder Spannung). 

Schaltpunkte müssen frei einstellbar sein. Zudem muss 

das Modul über eine Leitungs- und Sensorbruchüberwachung 

verfügen, um Messwerte zulässig zu übermitteln. 

Der Temperaturmessumformer mit Grenzwerten 

KFD2-GUT des K-Systems von Pepperl+Fuchs bietet 

neben diesen Grundvorausetzungen eine Reihe weiterer 

Vorteile. Das Modul nimmt die Temperatur auf und 

schaltet bei Erreichen des Grenzwerts den Relaisausgang. 

Es ist sowohl für den Einsatz in explosionsgefährdeten 

Bereichen wie auch als Signaltrenner für Signale 

aus dem sicheren Bereich verfügbar. 

Das Modul ist Teil der K-System-Produktfamilie mit 

weiteren Grenzwertschaltern, sodass praktisch alle 

kritischen Parameter nach dem selben Prinzip zu überwachen 

sind 

Drehzahlüberwachung 

Gleichlaufüberwachung 

Transmitterspeisung mit programmierbarem 

Hoch- oder Tiefalarm 

Die Versorgung der Module erfolgt über das sogenannte 

Power Rail, ein Tragschienenprofil mit Einlegeteil. 

Die Tragschienenmontage erlaubt das einfache Aufstecken 

der Module. Das Power Rail versorgt die Geräte 

mit Versorgungsspannung und bietet die Möglichkeit 

einer Sammelfehlermeldung. Dies reduziert den Verdrahtungsaufwand. 

FAZIT 

Die zuverlässige Überwachung sicherheitsrelevanter 

Parameter von elektrischen Maschinen kann vor Ge- 

fahren für Mensch und Natur sowie für die Maschine 

und eine Anlage insgesamt wirksam schützen. Eine 

interessante Alternative zu Prozessleitsystemen oder 

SPSen bei der Überwachung einzelner Messwerte ist 

der Einsatz von Trennbausteinen mit Grenzwert relais. 

AUTOR 

 

Quality by tradition 

ANDREAS GRIMSEHL ist Produkt- 

Marketing-Manager bei der 

Pepperl+Fuchs GmbH in Mannheim. 

Pepperl+Fuchs GmbH, 

Division Process Automation, 

Interface Technology, 

Lilienthalstraße 200, D-68307 Mannheim, 

Tel. +49 (0) 621 776 17 94, 

E-Mail: agrimsehl@de.pepperl-fuchs.com 

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6 / 2014 

17


Kontinuierliche Messung des pH-Werts zeigt Lecks 

in Kühlanlagen mit Ammoniak zuverlässig an 

Alternative zu klassischen Methoden – Austretendes Kältemittel bedroht Mensch und Umwelt 

AMMONIAK IST IN WASSER LÖSLICH: 

Aus pH-Wert und Temperatur lässt sich die 

Mol-Konzentration des Ammoniaks im Wasser 

ermitteln. Bilder: Jumo 

LÄSST EIN LECK Ammoniak 

in den kühlenden Wasserkreislauf 

austreten, so 

kann das durch Messung 

des pH-Wertes vor und 

nach dem Kondensator 

fest gestellt werden. 

SICHER AUF DEM 

KUNSTEIS: Das Eis für 

die Bahn im schweizerischen 

Wengen wird mit 

Ammoniak als Kältemittel 

erzeugt. Vor 

Unfällen durch Austritt 

des Kälte mittels schützt 

eine Lecküberwachung 

per pH-Wert-Messung. 

IM KONDENSATOR wird Ammoniak komprimiert 

und durch Wärmeentzug verflüssigt. 

Im Verdampfer geht das flüssige Ammoniak 

wieder in den gasförmigen Zustand über und 

entzieht der Umgebung dabei Wärme. 

Werden Kälte- und Kühlanlagen mit Ammoniak betrieben, 

so kann ein Austreten dieses Kältemittels 

für Mensch und Umwelt verheerende Auswirkungen 

haben. Daher besitzt die Lecküberwachung derartiger 

Systeme höchste Bedeutung. Als Alternative zu den 

bisher bekannten Methoden bietet sich hier die Überwachung 

mittels pH-Wert-Messung an. Bei einer Kunsteisbahn 

im schweizerischen Wengen kommt diese Methode 

seit einigen Jahren erfolgreich zum Einsatz. 

Kälte- und Kühlanlagen werden in vielen Bereichen 

eingesetzt. Die geforderte Kälteleistung zu erbringen, ist 

dabei nur ein Ziel. Ebenso sollten sie sicher, umweltverträglich, 

wirtschaftlich und energieeffizient sein. Ammoniak 

(NH 3 ) ist ein Kältemittel, das seit dem Verbot 

der Fluorchlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW) und Halogenfluorchlor-Kohlenwasserstoffe 

(HFCKW) in neuen 

Kälteanlagen wieder an Bedeutung gewonnen hat. 

GIFTIG, FARBLOS UND ÄTZEND 

Ammoniak liegt in Kühlkreisläufen teilweise als Flüssigkeit, 

teilweise als Gas vor. Unter Normalbedingungen 

(0°C und 1013 mbar) ist Ammoniak ein farbloses, 

giftiges und ätzendes Gas. Flüssig liegt es komprimiert 

oder tiefkalt vor (Verdampfungspunkt bei –33,4°C, 1013 

mbar). Ammoniak ist in Wasser löslich, die Lösung 

heißt Salmiakgeist. Aufgrund der Temperatur und der 

Mol-Konzentration des Ammoniaks im Wasser lässt 

sich der pH-Wert ermitteln. 

Um eine Kühlung zu erreichen, werden in den meisten 

Anlagen Kompressions-Kältemaschinen eingesetzt. 

Dabei wird das gasförmige Ammoniak vom Verdichter 

angesogen und komprimiert. Die Temperatur 

des Ammoniaks steigt dadurch an. Am darauf folgenden 

Kondensator wird diese Wärme dem Ammoniak, 

zum Beispiel durch eine Wasserkühlung, entzogen, 

wodurch es sich verflüssigt. Nun wird das Ammoniak 

am Drosselorgan dekomprimiert und kühlt sich dabei 

ab. Die resultierende Wärmeenergie ist nun kleiner als 

vor dem Verdichten, daher kann am Verdampfer Wärme 

aus der Umgebung aufgenommen werden; es wird 

also gekühlt. Das Ammoniak wechselt dabei den Aggregatzustand 

und wird wieder gasförmig. Danach 

wird es erneut vom Verdichter angesogen und der 

Kreislauf ist geschlossen. 

18 


6 / 2014

Ihr Erfolg durch 

unsere Erfahrung 

DIFFERENZ UND ABSOLUTWERT ÜBERWACHT 

Eine Schwachstelle kann der Kondensator sein, wo 

das Ammoniak unter hohem Druck steht. Entweichen 

an dieser Stelle auch nur kleine Mengen Ammoniak, 

so hat das verheerende Auswirkungen auf Mensch 

und Umwelt. Wie schon erwähnt, beeinflusst die Ammoniakkonzentration 

den pH-Wert einer Flüssigkeit. 

Tritt nun an einer Stelle Ammoniak in den kühlenden 

Wasserkreislauf, so kann das durch Messung des pH- 

Wertes vor und nach dem Kondensator festgestellt 

werden. Beim Entweichen von großen Mengen Ammoniak 

tritt sofort eine Differenz der beiden Messungen 

auf. Bei kleinen Mengen ergibt sich keine 

große Differenz, der absolute pH-Wert wird sich aber 

allmählich erhöhen. Eine Überwachung sowohl der 

Differenz als auch des Absolutwertes ist also unerlässlich. 

Weiter spricht die Differenzüberwachung 

auch bei einem eventuellen Driften (Alterung) der 

pH-Sonden an, was dem System eine gewisse Sicherheit 

verleiht. Dieses Verfahren eignet sich nur für 

Kühlkreisläufe mit Wasser. Denn bei Verwendung 

von Äthylen-Glykol-Zusätzen wird der pH-Wert durch 

austretendes Ammoniak zu wenig beeinflusst. 

GRENZWERTÜBERSCHREITUNG LÖST ALARM AUS 

In der Kunsteisbahn im schweizerischen Wengen 

wird seit einigen Jahren mit Erfolg dieses Prinzip der 

Überwachung eingesetzt. Dabei wird Gletscherwasser 

zur Kühlung des Kondensators verwendet. Das 

erwärmte Wasser dient anschließend zur Heizung des 

Badewassers eines Freiluftschwimmbeckens. Zur pH- 

Messung werden pro Kreislauf (Kondensator und 

Verdampfer) je zwei Jumo pH-Sonden mit angeschlossenen 

Messumformern dTRANS pH02 eingesetzt. Die 

Messwerte werden durch ein di308-Anzeigegerät 

miteinander verglichen, sowie auf deren Absolutwert 

überprüft. Bei Überschreitung der vorbestimmten 

Grenzwerte wird sofort Alarm ausgelöst. In Anlagen, 

wo die Kühlung des Kondensators mit Luft erfolgt, 

wird nur der Verdampferkreislauf überwacht. 

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AUTOR 

WALTER WÜEST 

ist Branchenmanager 

Bahntechnik bei Jumo. 

JUMO GmbH & Co. KG, 

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D-36039 Fulda, 

Tel. +49 (0) 661 60 03 27 22, 

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Laufende Echtzeitmessung des Alkoholgehalts im 

Destillat sorgt für höchste Qualität der Brände 

Per elektronischem Dichtemesser optimiert Haidvogl die Prozesskontrolle in Schnapsbrennereien 

ENTSCHEIDEND 

FÜR DIE QUALITÄT 

hochwertiger 

Brände ist die 

laufende präzise 

Steuerung des 

Alkoholgehaltes 

über den gesamten 

Produktions prozess. 

STATT MITTELS 

DISKONTINUIERLICHER 

SPINDELABLESUNG 

erfolgt die Ermittlung 

der aktuellen Alkoholkonzentration 

durch 

Dichtemessung mit 

einem Dichtemesser 

Liquiphant M Dichte als 

Glasspindel-Ersatz. 

ZU DEN SPEZIALGEBIETEN der Haidvogl Film KG 

gehört die Destillationstechnik. Für Praxiserprobung 

und Entwicklungsoptimierung betreibt der innovative 

Betrieb in Alberndorf eine Versuchsanlage für 150 

Liter auf dem aktuellen Stand der Technik. 

Bilder: Endress+Hauser 

„MIT DEM LIQUIPHANT M DICHTE von Endress+Hauser 

an der von uns konstruierten Alkoholvorlage lässt sich 

die auf 0,1 vol. % genaue Alkoholmessung während des 

Destillationsbetriebes sicherstellen“, erläutert Leopold 

Haidvogl (rechts), hier im Bild mit Herbert Springer, 

Projektverantwortlicher bei Endress+Hauser in Wien. 

Laufende Messungen des Alkoholgehaltes während 

des gesamten Produktionsablaufes gewährleisten 

die Qualität von Destillaten aus Landprodukten. Bisher 

erfolgen diese meist diskontinuierlich mit Spindeln. 

Die Haidvogl Film KG, als Hersteller von Steuerungssystemen 

für Destillationsanlagen, nutzt moderne industrielle 

Messtechnik in Form des Inline-Dichtemessgerätes 

Liquiphant M Dichte von Endress+Hauser zur 

zeitnahen Steuerung des Brennvorgangs und hilft 

Schnapsbrennern, die Qualität ihrer Erzeugnisse zu 

sichern und auszubauen. 

Das Mühlviertel genießt beste Imagewerte. Vor allem 

ist die oberösterreichische Region nördlich der Donau 

bekannt für ihre hervorragenden Lebens- und Genussmittel. 

Dazu gehören auch die hochwertigen Brände, 

zu denen zahlreiche Betriebe regionale Produkte veredeln. 

Nicht dieser Branche zurechnen würde man auf den 

ersten Blick die Haidvogl Film KG in Alberndorf. 1983 

von Leopold Haidvogl gegründet, hatte das Unternehmen 

bis 2004 seinen Tätigkeitsschwerpunkt in der 

Filmproduktion und betrieb sogar einige Jahre lang 

einen Regionalsender. Geblieben ist davon nur der 

Name. Schon 2003 kehrte das Unternehmen zu seinen 

eigentlichen Wurzeln zurück und beschäftigt sich unter 

anderem wieder mit Datenfunk und Mikrowellenfunktechnik. 

Mit Internet- und EDV-Dienstleistungen, 

Mikroelektronik-Entwicklung und mechanischer CNC- 

Fertigung sowie Messtechnik ist die kleine, innovative 

Firma nun schon lange ein Hightech-Allrounder. 

Auf dieser, die verschiedenen Disziplinen übergreifenden 

Basis, spezialisierte sich Haidvogl im Jahr 2010 

auf die Optimierung der Destillationstechnik. „Die 

zugrunde liegende Idee war, mit einer branchenspezi- 

20 


6 / 2014

fischen Lösung die Lücke zwischen einfacher Temperaturregelung 

und teurer Industriesteuerung zu schließen“, 

sagt Eigentümer Leopold Haidvogl. „Speziell für 

Fachleute im Bereich Destillationstechnik entwickelt, 

unterstützt unsere DPC (Destillen Process Control) 400 

diese mit bis zu zwölf überwachten Temperaturwerten 

dabei, ihre Qualität zu sichern und zu steigern.“ Ihre 

Präzision und Zuverlässigkeit überzeugte einen führenden 

deutschen Destillations-Kesselhersteller, der 

die Steuerung seither als Hauptabnehmer in seine Anlagen 

integriert. Mittlerweile stellt Haidvogl mit DPC 

100 und DPC 50 auch Systeme für kleinere Anwendungen 

her. 

In die Entwicklung flossen neben Erfahrungswerten 

namhafter Hersteller aus der Brennkesseltechnik auch 

Erkenntnisse aus Wissenschaft und Forschung ein. So 

steuerten etwa die Spezialisten für Gärtechnik der 

FH Wels für Ernährungstechnik wichtige Daten und 

Parameter für die Entwicklung bei. Der Praxiserprobung 

und Entwicklungsoptimierung dient eine hauseigene 

Versuchsanlage für 150 Liter auf dem aktuellen 

Stand der Technik. 

FEHLERQUELLEN UND ZEITAUFWAND ENTFALLEN 

Ziel der Haidvogl-Steuerung ist nicht, den Brennmeister 

zu ersetzen, sondern diesen von Beobachtungsaufgaben 

zu entlasten. Entscheidend für das reproduzierbare 

Halten und Steigern der Qualität von Destillaten 

ist die Überwachung nicht nur verschiedener Temperaturdifferenzen, 

sondern darüber hinaus des aktuellen 

Alkoholgehaltes während der Produktion, denn sie ist 

maßgebend für das Separieren der Fraktionen Vorlauf, 

Mittellauf und Nachlauf. 

Bisher – und in den meisten Fällen wohl auch weiterhin 

– geschah dies durch Ablesen einer amtlich geeichten 

Spindel in einem Glasgefäß mit der zu untersuchenden 

Flüssigkeit. Ermittelt wurde deren Alkoholgehalt 

vom Brennmeister anschließend anhand amtlicher Tabellen. 

„Neben der Gefahr von Ablesefehlern und der 

mangelnden Temperaturkompensation ist die Prozedur 

lästig, zudem vergeht zwischen der Entnahme des Destillats 

und der Bestimmung ihres Alkoholgehaltes einige 

Zeit“, nennt Haidvogl die Nachteile der bisherigen 

Praxis. „Wir gaben uns damit nicht zufrieden und 

suchten eine Möglichkeit, diese Werte in höchster Genauigkeit, 

vor allem aber laufend in Echtzeit zu messen.“ 

DICHTEMESSUNG NACH DEM SCHWINGGABELPRINIZIP 

Gleich bleibt dabei die Messung in der Schnapsvorlage 

als Messglas. In der Schnapsvorlage selbst kommt als 

Ersatz für die Glasmessspindel ein Dichtemesser Liquiphant 

M Dichte von Endress+Hauser mit einem Dichte- 

Elektronikeinsatz FEL50D zum Einsatz. Dieser arbeitet 

nach dem Schwinggabel-Prinzip, das darauf beruht, dass 

die Resonanzfrequenz der Schwinggabel von der Dichte 

der Flüssigkeit, der Prozesstemperatur und dem Prozess- 

druck abhängt. Zur Gewährleistung höchster Präzision 

wird ein Abgleich über drei Messpunkte durchgeführt. 

Im Einlaufröhrchen der Schnapsvorlage ist ein Sensor 

für die Temperaturmessung integriert, dessen Werte 

zur Kompensation der Temperatureinflüsse herangezogen 

werden. Der Dichterechner FML621 – ebenfalls 

von Endress+Hauser – errechnet mittels komplexer 

mathematischer Funktionen aus den Messwerten für 

Temperatur und Dichte laufend in Echtzeit den wahren 

Alkoholgehalt. 

KONTROLLE MIT GENAUIGKEIT VON 0,1 PROZENT 

„Im Interesse der Genauigkeit konstruierten wir eine 

Alkoholvorlage mit dem kleinsten möglichen Volumen“, 

berichtet Haidvogl. „Nur so lässt sich jede kleinste 

Änderung des Alkoholgehaltes sofort messtechnisch 

erfassen und die auf 0,1 vol. % genaue Alkoholmessung 

während des Destillationsbetriebes sicherstellen.“ 

Als einer der weltweit führenden Partner der Prozessindustrie 

für die Inline-Messung von Füllstand, Druck, 

Durchfluss, Temperatur und verschiedener anderer physikalischer 

Größen an Medien war Endress+Hauser für 

Haidvogl von vornherein erste Wahl. Das Familienunternehmen 

hatte zudem erst wenige Jahre zuvor das exakt 

passende Produkt entwickelt. „Da unter den Aspekten 

Qualitätsüberwachung, Prozesskontrolle und 

Umwelt die Erfassung von Dichte und Konzentration der 

gemessenen Stoffe in industriellen Produktionsprozessen 

immer mehr an Bedeutung gewinnt, wurde der bewährte 

Pegelschalter Liquiphant M weiterentwickelt“, 

sagt Herbert Springer, Projektverantwortlicher bei 

Endress+Hauser in Wien. „Als vollwertiges Inline-Dichtemessgerät 

nach dem Schwinggabelprinzip dient es zur 

kostengünstigen Überwachung wichtiger Prozessdaten 

im hygienischen Prozessumfeld in Echtzeit.“ 

AUTOR 

MARKUS SCHMID ist 

Produktmanager Füllstandmesstechnik 

bei 

Endress+Hauser in Weil 

am Rhein. 

Endress+Hauser Messtechnik GmbH + Co. KG, 

Colmarer Strasse 6, D-79576 Weil am Rhein, 

Tel. +49 (0) 7621 97 53 06, 

E-Mail: markus.schmid@de.endress.com 


6 / 2014 

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Wo hoch präzise Glasmaßstäbe schwächeln, 

punkten induktive Wegsensoren mit Robustheit 

Lagerhersteller erspart sich mit neuer Messtechnik den ständigen Austausch zerstörter Geräte 

Die Kugel- und Rollenlagerwerk Leipzig GmbH 

(KRW) arbeitet beim Schleifprozess mit Genauigkeiten 

im Mikrometerbereich. Eigentlich ein Fall für 

optische Messsysteme. Aber die im Schleifprozess erforderliche 

Kühl-Schmierstoff-Emulsion setzte den 

bislang zur Messung eingesetzten Glasmaßstäben so 

stark zu, dass sie oft nach einem halben Jahr getauscht 

werden mussten – zu Stückkosten im vierstelligen Bereich. 

Mit Turcks berührungslosem Linearwegsensor 

LI-Q25 hat KRW nun eine robuste und verschleißfreie 

Dauerlösung und erspart sich den regelmäßigen Austausch 

defekter Glasmaßstäbe. 

Man sieht sie nicht, man hört sie nicht und doch vertrauen 

wir alltäglich darauf, dass sie gute Arbeit leisten: 

Ohne Wälzlager bewegt sich heute nur wenig – schon 

gar nicht in der Industrie. In Leipzig behauptet die Kugel- 

und Rollenlagerwerk Leipzig GmbH erfolgreich 

ihre Marktnische in diesem Feld. Der Hidden Champion 

KRW spezialisierte sich auf Hochpräzisions-Wälzlager, 

Spezialanfertigungen und Kleinserien. 

Ein weiterer Vorteil, mit dem die Sachsen bei ihren 

Kunden weltweit punkten können, sind Flexibilität und 

Liefergeschwindigkeit. „Unsere Genauigkeit liegt immer 

im Mikrometer-Bereich“, sagt Karl Wolter, Direktor 

Marketing und Vertrieb bei KRW, und beschreibt die 

Dimensionen: „Wenn Sie ein Blatt Standard-Druckerpapier 

nehmen und in zehn Lagen teilen, dann ist eine 

dieser Lagen ein Mikrometer stark.“ 

HÖCHSTE ANFORDERUNGEN AN DIE PRÄZISION 

Aus dieser Marktpositionierung erwachsen spezielle 

Anforderungen an die eingesetzte Sensorik. Die Messsysteme 

bei KRW müssen hochpräzise sein. Magnetostriktive 

und andere magnetische Systeme scheiden 

aus, da sie durch die starken Magnetfelder beeinflusst 

werden, welche die Werkstücke fixieren. 

In der Regel setzt KRW daher auf optische Systeme, 

denn die Anforderungen an die Genauigkeit lassen fast 

keine anderen Messsysteme zu. Der Nachteil der optischen 

Systeme ist allerdings ihre hohe Anfälligkeit 

in dieser rauen Fertigungsumgebung. „Wir haben in der 

Schleiferei das Problem, dass die Kühl-Schmierstoff- 

Emulsion, die wir verwenden, in die Sensorik eindringt. 

Durch die Rotation des Werkzeugs beim Schleifen 

zerstäubt das Medium und es entsteht eine Gischt, 

die sich auf den Maschinen und den Sensoren trotz 

Schutzmaßnahmen und Sperrluft niederschlägt“, erklärt 

der Leiter der Schleiferei, Frank Schubert. 

SCHMIERSTOFF IST GIFT FÜR DIE GLASMASSSTÄBE 

Dieser Schmierstoff – auch Slurry genannt – hat eine 

sehr geringe Oberflächenspannung. Im Prozess ist das 

gewünscht, die Slurry kann so bis in die engste Ritze 

kriechen. Für die empfindlichen Glasmaßstäbe ist diese 

Eigenschaft allerdings Gift. „Durch die Bewegung 

des Positionsgebers dringt an der Dichtlippe des Sensors 

immer auch etwas Slurry ein. Nach zirka sechs 

Monaten war der optische Sensor an der Vorschleifmaschine 

in der Regel defekt“, beschreibt KRW-Instandhalter 

Holger Lietsch den Nachteil des bislang eingesetzten 

Glasmaßstabs. 

Im Vorschleifprozess werden die Flächen der Außenund 

Innenringe etlicher Wälzlager geschliffen. Es ist 

in der Regel der erste Bearbeitungsschritt nach dem 

Härtungsverfahren. Hier ist zunächst noch eine Genauigkeit 

im Hundertstel-Millimeter-Bereich ausreichend. 

Die entscheidende Präzision der Lager wird 

später beim Fertigschleifen und Finishen erreicht. Je 

nach Charge lassen sich auf der Vorschleifmaschine 

Ringe bis zu 500 Millimeter Höhe schleifen. Ein starker 

Elektromagnet hält dazu die Außenringe auf dem Maschinentisch. 

Der Werkzeugsupport fährt auf den zu 

bearbeitenden Ring und die Anzeige des LI-Sensors 

wird auf Null gesetzt. Von diesem gesetzten Referenzpunkt 

ist es dem Maschinenbediener möglich, zu sehen, 

wie viel Materialabtrag bis zur durchgeschliffenen 

Fläche erfolgte. 

MAGNETISCHE SENSOREN KOMMEN NICHT IN FRAGE 

„Magnetische Sensoren kann man hier aufgrund der 

starken Magnetfelder nicht einsetzen. Wir haben den 

starken Elektromagneten und außerdem direkt neben 

dem Sensor einen 30-kW-Motor, der die Hauptspindel 

antreibt“, erklärt Lietsch. Insofern blieb KRW bislang 

nur übrig, in den sauren Apfel zu beißen und die Glasmaßstäbe 

einzusetzen. 

Ausgefallene Geräte gingen dann zur Befundung 

zum Hersteller, der sie teilweise aufarbeiten konnte. 

Allerdings ist dieser Reinigungsprozess meist nur einmal 

möglich. Danach muss ein neuer Sensor angeschafft 

werden. Die Reparaturkosten lagen pro Stück 

im vierstelligen Euro-Bereich, eine Neuanschaffung 

ist noch teurer. Außerdem musste KRW noch die Arbeitszeit 

des Instandhaltungspersonals in die Kalkulation 

einbeziehen. Die Schleifmaschine selbst konnte 

zwar weiter betrieben werden, allerdings nur konventionell. 

Ohne den Sensor müssen die Mitarbeiter 

die Maschine anhand einer analogen Anzeige justieren. 

Die Skalierung ist am Handrad aufgezeichnet und 

kann daher nicht exakt auf Null gesetzt werden. 

Seit Herbst 2013 erfasst ein induktiver Linearwegsensor 

von Turck die Schleiftiefe an der Vorschleifmaschine 

auf 10 Mikrometer genau. Die LI-Sensoren arbeiten 

nach dem Resonator-Messprinzip, bei dem die Positionserfassung 

nicht über einen magnetischen Positionsgeber 

erfolgt, sondern induktiv über ein schwingfähiges 

System aus Kondensator und Spule. Das berührungslose 

System erlaubt es, das Gehäuse des Sensors komplett 

zu vergießen und damit dauerhaft Schutzart IP67 

zu erfüllen. Auch unter widrigsten Bedingungen kann 

keine Substanz in den Sensor eindringen und seine 

Funktion stören. 

22 


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AUF DEM 

BEDIENPULT 

der Flachschleifmaschine 

zeigt 

die Digitalanzeige 

den Messwert des 

LI-Sensors an. 

EMV-RESISTENT: 

Der hinter dem 

Faltenbalg 

montierte 30-kW- 

Elektromotor der 

Hauptspindel 

stört Turcks 

LI-Q25 nicht im 

Geringsten. 

Fotos: Turck 

DIE IM SCHLEIF- 

PROZESS 

erforderliche 

Kühl-Schmierstoff-Emulsion 

machte die 

bislang verwendeten 

Glasmaßstäbe 

nach sechs 

Monaten 

unbrauchbar. 

GROSSE LAGER – HOHE PRÄZISION: Bei Fertigungstoleranzen 

im Mikrometer-Bereich ist präzise Messtechnik 

gefragt, der auch die im Schleifprozess erforderlichen 

aggressiven Schmiermittel nichts anhaben können. 

UNEMPFINDLICH GEGEN UMWELTEINFLÜSSE 

Gegenüber magnetostriktiven Linearwegsensoren 

punktet das induktive Messsystem von Turck mit seiner 

hohen Unempfindlichkeit: Obwohl sich der Elektromotor 

für den Hauptspindelantrieb nah am Sensor befindet, 

beeinträchtigt er dessen Funktion überhaupt nicht. 

Auch die magnetische Fixiereinrichtung des Maschinentischs 

hat keinen negativen Einfluss auf die Zuverlässigkeit 

der Messung des LI-Q25. 

KRW-Instandhalter Holger Lietsch setzt beim LI-Q25 

auf eine digitale Signalübertragung. Das verwendete 

SSI-Signal arbeitet mit Hilfe der sogenannten Differenzübertragung. 

Eine einstrahlende Störquelle hat 

somit nicht den negativen Einfluss, den sie auf ein 

analoges Signal ausüben könnte. KRW verzichtet deshalb 

hier auf aufwendig geschirmte Leitungen. Der 

Linearwegsensor liefert sein Signal an eine digitale 

Anzeige, die am Bedienpult der Schleifmaschine 

montiert ist. 

Anfangs spielten Sensor und Anzeige noch nicht optimal 

zusammen. Nach einer Firmware-Anpassung des 

Sensors für diese spezielle Anzeige funktioniert das 

System zuverlässig und störungsfrei. Die Mitarbeiter in 

der Schleiferei können jetzt den Schleifprozess präzise 

durchführen. Das Plan- beziehungsweise Flachschleifen 

legt den Grundstein für die späteren Bearbeitungsschritte. 

Fehler, die hier entstehen, können später nur 

schwer korrigiert werden. 

AUTOR 

JENS GIERKE ist 

Vertriebsspezialist bei 

Turck in Mülheim. 

Hans Turck GmbH & Co. KG, 

Witzlebenstraße 7, 

D-45472 Mülheim an der Ruhr, 

Tel. +49 (0) 3592 316 37, 

E-Mail: jens.gierke@turck.com 


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PRAXIS 

Aufgearbeitet statt neu: Perfektes Nachschleifen 

vervielfacht die Lebensdauer von Werkzeugen 

Exakte Schneidkantenpräparation und optimale Neubeschichtung entscheiden über die Qualität 

AUFARBEITUNG 

BEIM HERSTEL- 

LER LOHNT SICH, 

wie eine Fallstudie 

zeigte: Durch 

Performance- und 

Standzeitvorteile 

ergab sich in der 

Gesamtbetrachtung 

eine 70-prozentige 

Einsparung. 

NACHSCHLEIFEN: Fachgerechtes 

Reconditioning mit Originalgeometrie und 

Original beschichtung garantiert hohe 

Standzeiten und Prozesssicherheit. 

UNKOMPLIZIERT: Die Box wird mit verschlissenen 

Werkzeugen befüllt und vom Hersteller abgeholt. 

HALBIERTE KOSTEN: Beim dritten Nachschliff sinken 

die Werkzeugkosten um 50 Prozent. Bilder: Walter AG 

Nachhaltigkeit steht nicht nur für die Schonung von 

Ressourcen und Umwelt, sondern ist auch im hohen 

Maß relevant für die Wirtschaftlichkeit der Unternehmen. 

In der metallzerspanenden Industrie lassen 

sich beispielsweise durch fachgerechtes Nachschleifen 

und Neubeschichten von Zerspanungswerkzeugen erhebliche 

Kosten sparen. 

Für die Walter AG aus Tübingen, Spezialist für Hochleistungs-Zerspanungswerkzeuge, 

haben deshalb der 

ganzheitliche Produktzyklus ihrer Werkzeuge und dessen 

nachhaltige Gestaltung einen hohen Stellenwert. Den zweiten 

Schritt im Lebenszyklus der Walter-Produkte stellt konsequenterweise 

die Wiederaufbereitung dar. Die Kunden 

des Unternehmens lassen ihre Werkzeuge drei- bis fünfmal 

in speziellen Reconditioning Centern nachschleifen und 

neu beschichten. Innerhalb von 14 Tagen erhalten sie die 

zuvor abgenutzten Werkzeuge in Originalqualität zurück 

– fast wie neu. Reconditioning ist für Walter ein entscheidender 

Bestandteil des – verlängerten, kosten- und ressourcenschonenden 

– Produktlebenszyklus. 

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VOLLSTÄNDIG GESCHLOSSENER PRODUKTKREISLAUF 

Sind die Werkzeuge endgültig verschlissen, bietet Walter 

den Rückkauf des Hartmetallwertstoffs zu Kilopreisen 

an und organisiert den Rücktransport. Das Material 

wird dann in den Recyclingwerken des Unternehmens 

in seine Bestandteile zersetzt, zu reinem Wolframcarbid 

verarbeitet und wieder für die Produktion 

neuer Werkzeuge eingesetzt. So entsteht ein vollständig 

geschlossener Produktkreislauf. 

Bei den Kunden spielt das Reconditioning für die 

Wirtschaftlichkeit eine entscheidende Rolle. Denn hier 

schlummert – im Vergleich zur Anschaffung neuer Ersatzwerkzeuge 

– ein enormes Einsparungspotenzial. 

Daher stellt die Wiederaufbereitbarkeit von Werkzeugen 

inzwischen einen festen Bestandteil bei der Entwicklung 

von Neu-Werkzeugen dar. 

Eine immens wichtige Stellschraube für Leistung und 

Standzeit ist die exakte Schneidkantenpräparation. Aus 

diesem Grund sind verschlissene Werkzeuge beim Reconditioning-Service 

des Herstellers in den besten Händen. 

Denn nur dieser kann die Bohrer wieder mit allen 

Feinheiten versehen und somit in einen Fast-wie-neu- 

Zustand versetzen. Das gilt auch für die Beschichtung. 

Nach nur dreimaligem Wiederaufbereiten lassen sich so 

bereits 50 bis 60 Prozent der Werkzeugkosten einsparen. 

KURZFRISTIGE EINSPARUNGEN RECHNEN SICH NICHT 

Walter hat das Nachschleifen nicht erfunden, betreibt 

es aber auf hohem Niveau. Die Wiederaufbereitung 

durch die Walter Reconditioning-Experten erfolgt mit 

Originalgeometrie und der leistungsfähigen Original- 

Beschichtung. Ein herkömmlicher Nachschliff mit 

Standardbeschichtung würde zu deutlich geringeren 

Standzeiten und geringerer Prozesssicherheit führen. 

Dass Qualität ihren Preis hat, ist eine alte Binsenweisheit, 

die für die Reconditioning-Spezialisten von Walter 

sehr konkrete Bedeutung hat: Lokale Nachschleifbetriebe 

konkurrieren häufig mit geringeren Service-Preisen. 

Doch Qualität ist auch ihren Preis wert – und führt 

in der Gesamtbetrachtung letztlich doch zu Einsparungen. 

So konnte Walter in einer Fallstudie mit einem 

großen Kunden, einem Hersteller von Zubehörteilen für 

den Automobilbereich, zeigen, dass kurzfristige Kosteneinsparungen 

beim Nachschleifen langfristig betrachtet 

die Produktionskosten deutlich erhöhen. 

Der Kunde bearbeitete ein Werkstück aus legiertem 

Stahl mit dem Hochleistungsfräser Proto max ST. Nach 

Verschleiß des Werkzeugs wurde dieses in einem lokalen 

Betrieb, zu dem langjährige Geschäftsbeziehungen 

bestanden, nachgeschliffen – zu einem günstigeren 

Preis im Vergleich zum Angebot von Walter. Im Feldversuch 

ging es nun darum, die Performance der beiden 

Alternativen gegeneinander zu testen. Gleich zu Beginn 

ergab sich eine überraschende Erkenntnis: Die vom lokalen 

Betrieb nachgeschliffenen Werkzeuge wurden 

mit um 40 Prozent niedrigeren Bearbeitungsparame- 

tern gefahren, als die von Walter wiederaufbereiteten 

Werkzeuge. Leider ist das eine häufige Vorgehensweise, 

die manchem Werkleiter vielleicht gar nicht bewusst 

ist: Der Maschinenbediener hat seine Erfahrungswerte 

mit dem nachgeschliffenen Werkzeug – in diesem Fall 

eine schlechtere Leistung – und passt die Maschine 

entsprechend an. 

PRODUKTIONSKOSTEN UM 70 PROZENT GESENKT 

Trotz dieser künstlichen Drosselung ergab sich im 

zweiten Schritt ein noch überraschenderes Ergebnis: 

Die Werkzeuglebensdauer des von Walter nachgeschliffenen 

Fräsers war um ein Vielfaches höher als die des 

lokalen Nachschliffs. Ein enormer Performanceunterschied, 

der sich unterm Strich auch sehr deutlich in 

den Herstellungskosten bemerkbar macht. Trotz der 

höheren Kosten des Original-Nachschliffs ließen sich 

durch das Walter Reconditioning rund 70 Prozent an 

Produktionskosten gegenüber dem lokalen Nachschliff 

einsparen. Deshalb ist es enorm wichtig, wie beim Neu- 

Teil, auf das Know-how des Original-Herstellers zu 

setzen. Die Werkzeuge, die vom Walter Reconditioning- 

Service kommen, haben praktisch die gleiche Qualität 

wie Neuwerkzeuge. Entsprechend können sie auch mit 

denselben Bearbeitungsparametern gefahren werden. 

Das spart Maschinenzeit und -kosten. Außerdem ist die 

Werkzeuglebensdauer deutlich länger, als bei durch 

Wettbewerber nachgeschliffenen Werkzeugen. Dadurch 

sind beispielsweise weniger Werkzeugwechsel nötig 

und die Produktivität erhöht sich. 

Jenen Kunden, bei dem die Fallstudie durchgeführt 

wurde, haben diese gewichtigen Argumente überzeugt. 

Dort ist Walter Reconditioning nun fester Bestandteil 

eines wirtschaftlich optimierten Herstellungsprozesses. 

AUTOR 

JENS-PETER SCHNECK 

ist Reconditioning & 

Recycling Manager bei der 

Walter AG. 

Walter AG, 

Derendinger Str. 53, D-72072 Tübingen, 

Tel. +49 (0) 7071 701 12 34, 

E-Mail: jens-peter.schneck@walter-tools.com 


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HAUPTBEITRAG 

Konzept offener Regler: 

FPGA in der Antriebstechnik 

Modulare Architektur löst spezialisierte Anforderungen 

Systeme mit programmierbarer Logik in Form von Field Programmable Gate Arrays 

(FPGA) werden zunehmend für die Antriebstechnik interessant. Die Gründe dafür 

sind die mit einer Hardware-Implementierung vergleichbare Leistung, die Flexibilität 

im Entwurfsprozess und im Feld sowie die Skalierbarkeit des Funktionsumfangs. 

Das im Beitrag vorgestellte Konzept zeigt Struktur, Funktionsweise und Entwurf 

einer komponentenorientierten Architektur für ein Antriebssystem. Der Fokus 

liegt dabei auf der günstigen Nutzung der resultierenden Freiheitsgrade in Hard- und 

Software. Es wird gezeigt, dass die Architektur den industriellen Standards und 

speziellen Anforderungen einer beispielhaften Anwendung hinsichtlich Robustheit 

und Flexibilität gerecht wird. 

SCHLAGWÖRTER FPGA-Technologie / Antriebstechnik / Architekturkonzept / 

Offenheit / Reglersystem 

Concept Open Controller: FPGA in Drive Technology – 

A Modular Architecture for Specialized Requirements 

Systems with programmable logic are becoming more and more interesting in drive 

engineering. This is due to the performance, which can be compared to a hardware 

based implementation, the flexibility in the design process and the range of applications, 

as well as the scalability. The concept shows structure, functionality and 

design of a component-based architecture for a drive control system. The focus is on 

the beneficial use of the resulting degrees of freedom in hardware and software. The 

article shows that the architecture is able to meet industrial standards as well as 

special requirements for a typical application regarding robustness and flexibility. 

KEYWORDS FPGA technology / drive engineering / architectural concept / openness / 

closed loop control system 

26 


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PETER ZAHN, IGOR LAPTEV, ALEXANDER VERL, Universität Stuttgart 

Das Institut für Steuerungstechnik der 

Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen 

der Universität Stuttgart (ISW) 

beschäftigt sich im Rahmen von Forschungsvorhaben 

mit Architekturen für 

offene Reglersysteme. Die Offenheit zielt dabei auf 

möglichst hardwareunabhängige Strukturen und 

Schnittstellen, sodass die Austauschbarkeit von 

Komponenten und der Zugriff auf beliebige interne 

Signale möglich ist. Entsprechende Konzepte und 

Implementierungen wurden im Rahmen der Entwicklung 

der offenen Antriebsreglerplattform [1, 2] 

umgesetzt. 

Derartige Systeme eignen sich für einen universellen 

Einsatz in der Antriebstechnik. Wesentlicher 

Aspekt dabei ist die Nutzung von programmierbarer 

Logik in Form von Field Programmable Gate Arrays 

(FPGA). Speziell kleine Stückzahlen und Prototypen 

profitieren von der erhöhten Flexibilität im Entwurfsprozess, 

die die gegenüber klassischen mikrocontrollerbasierten 

Systemen höheren Kosten aufwiegt. Die 

Entwurfswerkzeuge ermöglichen es einerseits, ein 

hierarchisches Design mit unabhängig arbeitenden 

Subsystemen zu strukturieren, andererseits trotzdem 

vollen Zugriff auf die internen Signalpfade zu behalten. 

Das vorgestellte Konzept stellt ein neuartiges 

Reglersystem auf FPGA-Basis dar, das sich dank modularem 

Aufbau und der Verwendung üblicher industrieller 

Schnittstellen vielseitig in der Antriebstechnik 

einsetzen lässt. Bild 1 zeigt die mögliche 

Ausgestaltung einer solchen Antriebsreglerplattform. 

Für Standardanwendungen existieren bereits zahlreiche 

kommerziell verfügbare Antriebssysteme. Im 

Falle von spezielleren Anwendungen weisen sie oft 

nicht genug Flexibilität auf. Beispielhaft für eine solche 

Anwendung steht in diesem Beitrag der Antrieb 

einer aktiv angetriebenen Knieprothese. Da hier hohe 

Leistungsdichte, Integration und Robustheit gefordert 

werden und unterschiedliche Lastsituationen und Einsatzbereiche 

vorherrschen, müssen die entsprechenden 

Entwicklungsprozesse und die eingesetzten Algorithmen 

berücksichtigt werden. 

1. GRUNDLEGENDE UND SPEZIELLE ANFORDERUNGEN 

Im Hinblick auf eine universelle Verwendung in der Antriebstechnik 

muss das offene Reglersystem robuste, industrieübliche 

Schnittstellen aufweisen. Traditionell sind 

dies zum Beispiel analoge und digitale Spannungsschnittstellen 

mit von üblicher Digitaltechnik abweichenden 

Pegeln. Weiterhin müssen unterschiedliche Gebersysteme 

einlesbar sein sowie Schnittstellen zur Leistungselektronik, 

wie gegebenenfalls zu einer übergeordneten Steuerungsebene, 

vorgesehen werden. Zur optimalen Anpassung 

an die jeweilige Anwendung ist eine gute Skalierbarkeit 

wünschenswert. Die einzelnen funktionalen Primitive 

von der Benutzerinteraktion und Bahngenerierung 

über die Regelung bis zur Stromvektormodulation müssen 

modular eingebunden oder an ein bestehendes externes 

System angebunden werden können. 

Prinzipiell sind diese Anforderungen bereits durch die 

Nutzung konventioneller Automatisierungskomponenten 

auf Mikrocontroller- beziehungsweise PC-Basis erfüllbar. 

Unterschiede ergeben sich jedoch, wenn besonders bei 

Prototypen oder kleinen Stückzahlen die Flexibilität ein 

wesentlicher Aspekt ist. Nachfolgend wird deshalb ein 

exemplarischer Anwendungsbereich vorgestellt, der von 

der FPGA-basierten Architektur profitiert. 

1.1 Anwendungsbeispiel Knieprothese 

Ein beispielhaftes Einsatzgebiet für die vorgestellte Plattform 

ist die Entwicklung des Antriebs einer aktiv angetriebenen 

Knieprothese im Rahmen eines gemeinsamen 

Forschungsprojekts mit Hochschul- und Industriepartnern. 

Bedingt durch die Zunahme von Gefäßerkrankungen 

steigt die Zahl der Patienten mit amputierten 

Extremitäten, die durch Prothesen versorgt werden müssen. 

Derzeit marktübliche passive Systeme stellen eine 

hohe Belastung für den Träger dar, da der Mensch die zur 

Fortbewegung notwendige Energie komplett über den verbleibenden 

Bewegungsapparat generieren muss. Der hier 

umgesetzte Ansatz, um die Energiebilanz beim Gehen zu 

verbessern, ist ein aktiver elektrischer Antrieb des Knie- 


6 / 2014 

27

HAUPTBEITRAG 

gelenks. Am ISW wird für diesen Prototyp die notwendige 

Antriebsregelung entworfen und implementiert. 

Die Anforderungen an das Reglersystem ergeben sich 

aus der Notwendigkeit, für die Evaluierung situationsgerechter 

Steuerungsmuster die Regelung zur Laufzeit 

zwischen unterschiedlichen Betriebsarten (zum Beispiel 

Lage- oder Momentenregelung) umschalten zu 

können. Aufgrund von Unbekannten im Hinblick auf 

biologische Bewegungsmuster müssen strukturell viele 

Freiheitsgrade und eine umfangreiche Parametrierbarkeit 

vorgesehen werden. 

Eine exemplarische Besonderheit ergibt sich dabei 

aus dem biologischen Vorbild: Beim menschlichen Gehen 

wird der Gangzyklus wiederholt durchlaufen, der 

sich beim Gehen in der Ebene in zwei Phasen gliedert, 

dargestellt nach [3] in Bild 2. 

Die Standphase beginnt mit dem Aufsetzen der Ferse 

und umfasst das Abrollen des Fußes mit Bodenkontakt. 

Dabei wird das Moment im Knie in die Vorwärtsbewegung 

des Körperschwerpunkts umgesetzt. Mit dem Abheben 

der Fußspitze folgt die Schwungphase, in der das Bein, 

beziehungsweise die Prothese, wieder nach vorne bewegt 

wird. Hierbei wird das frei schwingende Bein vom Kniemoment 

gegen seine Trägheit beschleunigt und verzögert. 

Das dynamische Verhalten des menschlichen Bewegungssystems 

variiert dabei zyklisch: In der Standphase 

bewirkt der Prothesenantrieb die relativ langsame 

Vorwärtsbewegung des Körperschwerpunktes, in der 

Schwungphase die Beschleunigung der Prothese auf 

hohe Winkelgeschwindigkeiten. Durch kontinuierliche 

Nachführung der Regelparameter über den Verlauf 

dieses Gangzyklus lässt sich dies berücksichtigen 

und in jedem Betriebspunkt optimales Verhalten der 

Regelung erzielen. Dies entspricht dem in [4] vorgestellten 

Verfahren des Linear Parameter-Varying Gain 

Scheduling beziehungsweise der parameterabhängigen 

PI-Regelung nach [5]. 

In der industriellen Antriebstechnik verfügen Antriebsregler 

über umfangreiche Parametersätze, mit 

denen sich der Antrieb an die Anwendung anpassen 

lässt. Normalerweise erfolgt dies im Rahmen der Inbetriebnahme 

mittels herstellerspezifischer Software. Um 

eine sichere Funktion in allen Betriebsbereichen zu 

gewährleisten, müssen dabei die Regelparameter konservativ 

gewählt werden. Diese können im Betrieb nicht 

mehr verändert werden. Gain Scheduling ist in einem 

solchen System nicht realisierbar, weshalb hier ein 

strukturell anderer Ansatz gewählt wird. 

Bei der vorgestellten Architektur sind die Parameter 

sämtlicher Regelungskomponenten im Betrieb zugänglich 

und können im gleichen Takt wie die Vorgabe von 

Sollwerten modifiziert werden. Dies erlaubt es, die Regelung 

kontinuierlich an die Dynamik der Anwendung 

anzupassen und somit auch bei wechselnder Last und 

Dämpfung eine hohe Güte der Regelung zu erreichen. 

Praktisch werden für mehrere Betriebspunkte geeignete 

Reglerparameter ermittelt und Zwischenwerte 

interpoliert. Die numerische Steuerung, die zum Beispiel 

PC-basiert auf derselben Plattform realisiert werden 

kann, übergibt diese zyklisch gemeinsam mit entsprechenden 

Sollwerten an die Regelung. 

2. POTENZIAL DER FPGA-TECHNOLOGIE 

Gängige digitale Signalprozessoren (DSP) verfügen über 

eine hohe Rechenleistung, allerdings bedingt die sequentielle 

Befehlsabarbeitung Abhängigkeiten zwischen 

Software-Modulen. Zur Einhaltung eines deterministischen 

Verhaltens müssen diese berücksichtigt 

werden, worunter die Skalierbarkeit leidet. Da ein Regelungssystem 

für die genannte Aufgabe sich gut in 

parallel arbeitende Funktions-Module mit kontinuierlichem 

Datendurchsatz untergliedern lässt, bieten anwendungsspezifisch 

konfigurierbare Logikbausteine 

(FPGA) eine sinnvolle Plattform zur Umsetzung. 

Insbesondere in der Entwicklung und bei kleinen 

Stückzahlen stellt die Rekonfigurierbarkeit einen Vorteil 

dar, der erhöhte Kosten für leistungsfähige FPGA kompensiert. 

Die entsprechende Beschreibung der Logik in 

einer Hardware-Beschreibungssprache, wie zum Beispiel 

Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description 

Language (VHDL), eignet sich ebenso für die Umsetzung 

in maskenprogrammierte Logik. Somit lässt sich 

die Implementierung des funktionalen Verhaltens von 

konkreter Hardware und Stückzahlen entkoppeln. Bei 

den in der Antriebstechnik üblichen Regeltakten, Stromregelung 

bis zu 50 kHz, sind mittels Pipelining komplexe 

Berechnungen möglich, gleichfalls die Verwendung unterschiedlicher 

Takte innerhalb eines Systems. 

Zur Vereinfachung des Entwurfsprozesses existieren 

unterschiedliche Konzepte zur Strukturierung der FPGA- 

Designs. Verwendet wird die Software QSYS des FPGA- 

Herstellers Altera, die ein System on a Programmable 

Chip (SOPC) erzeugt. Dazu werden einzelne Komponenten 

aus einer Bibliothek instanziiert und grafisch miteinander 

verschaltet. Die Komponenten in der Bibliothek 

können dabei selbst implementiert und von Dritten 

bereitgestellt werden. Die Software übernimmt die Generierung 

von Verbindungen und Busleitungen. Voraussetzung 

dafür ist die Einhaltung von spezifizierten 

Schnittstellentypen. Dies ermöglicht einen effizienteren 

Entwurfsprozess und eine bessere Wiederverwertung 

bei gleichzeitiger Reduzierung von Fehlerquellen. 

Grundsätzlich erzeugen solche grafischen Entwurfswerkzeuge 

ihre Ausgabe in einer Hardwarebeschreibungssprache, 

sodass manuelle Eingriffe oder die Verifikation 

des generierten Codes möglich sind. 

3. EBENENKONZEPT DER SYSTEMARCHITEKTUR 

Das offene Regelungssystem lässt sich logisch in Ebenen 

untergliedern, die in Bild 3 dargestellt sind und 

nachfolgend beschrieben werden. Hervorgehoben ist 

dabei der Bereich, den das SOPC-Design umfasst. Wesentlich 

hierbei ist die Forderung, möglichst viel Komplexität 

in den FPGA zu verlegen, um die Vorteile von 

28 


6 / 2014

BILD 1: Mögliche Ausgestaltung 

der Antriebsreglerplattform 

Antriebsreglerplattform 

FPGA 

Numerische 

Steuerung 

Lageregler 

Geschwindigkeitsregler 

Stromregler 

Leistungselektronik 

Feldbus 

I/O 

PMSM 

Soft- 

CPU 

Filter 

User- 

IP-Cores 

Lagegeber 

BILD 3: Ebenen der Systemarchitektur 

BILD 2: Darstellung der Phasen im Gangzyklus 

BILD 4: Laboraufbau 

des Regelungssystems 

Konfigurierbarkeit und freiem Zugriff zu nutzen. Dies 

ist ein wesentlicher Unterschied im Vergleich zu konventioneller 

Hardware, wo eine Änderung von einzelnen 

Parametern oder Verbindungen ein aufwendiges 

Re-Design nach sich ziehen kann. 

Anwendung: 

Die unterste Ebene bilden Motoren und Leistungselektronik, 

industrielle Spindel- oder Linearachsen, sowie 

Sensorik zur Rückführung der Zustandsgrößen. 

Peripheriemodule: 

Die Umsetzung der Ein- und Ausgangssignale in digitale 

Signale mit FPGA-kompatiblen Pegeln und das 

Protokoll-Handling von Feldbussen werden auf austauschbare, 

einheitliche Platinen ausgelagert. 

SOPC-Komponenten: 

Um die Struktur eines Regelungssystems innerhalb 

des FPGA effizient abbilden zu können, wird dieses 

in hierarchisch gegliederte funktionale Module zerlegt. 

Ein solches Modul kann beispielsweise die Geberauswertung, 

ein PI-Regler oder zusammengefasst 

eine komplette Reglerkaskade für eine Achse sein. 

Dadurch lässt sich diese Struktur direkt auf einzelne, 

durch Signalflüsse verkoppelte SOPC-Komponenten 

abbilden. Für den Anwender der Module ist dabei die 

konkrete Implementierung irrelevant, sofern diese 

über eine einheitliche Schnittstelle und einen definierten 

Satz Parameter verfügt. Die grundlegende Verkopplung 

der Module wird bei der Erstellung des 

SOPC-Designs festgelegt, Signalfluss und Verhalten 

innerhalb der Komponenten sind noch zur Laufzeit 

k o n fi g u r i e r b a r. 

Systembus: 

Zum Zugriff auf die Parameterregister und zum Austausch 

von Signalen wird ein herstellerseitig standardisierter 

Systembus (Altera Avalon) verwendet. Dieser 

ist als Master-Slave-Protokoll definiert und ermöglicht 

das Einblenden der Daten in Speicherbereiche übergeordneter 

Systeme mittels Memory Mapping. Die ent- 


6 / 2014 

29

HAUPTBEITRAG 

sprechende Logik wird automatisiert durch die Entwurfswerkzeuge 

erzeugt. 

CPU und Software: 

Komplexere, aber weniger zeitkritische Aufgaben werden 

durch eine CPU abgearbeitet. Neben der Überwachung 

oder Ablaufsteuerung können Software-Module 

von Dritten eingebunden werden, beispielsweise eine 

PC-basierte numerische Steuerung wie [6]. Dabei kann 

die CPU entweder als SOPC-Komponente (Altera NIOS 

II) oder in konventioneller Form mit Kopplung über 

einen externen Bus ausgeführt sein. 

4. PRAKTISCHE UMSETZUNG 

Der Entwurfsprozess einer Plattform entsprechend dem 

vorgestellten Konzept gliedert sich in drei Teilaspekte: 

Der Entwurf der Hardwareplattform mit Peripherieanbindung, 

die Spezifizierung und Implementierung der SOPC- 

Komponenten sowie die Integration des SOPC-Systems. 

4.1 Hardwareplattform 

Da die Architektur des Regelungssystems unabhängig 

von der verwendeten Hardware spezifiziert ist, kann 

eine für die jeweilige Anwendung sinnvolle Plattform 

verwendet werden. Im Fall des Prothesenantriebs wurde 

dazu der Single-Board-Computer (SBC) Kontron 

MSMST der Bauform PCIe/104 gewählt. Neben einem 

Intel Atom E6x5C ist auf dem Prozessormodul ein FPGA 

vom Typ Altera Arria II GX integriert. Den Datenaustausch 

ermöglicht eine on-Chip PCI-Express-Verbindung 

zwischen CPU und FPGA. Diese enge Kopplung 

reduziert den Aufwand an Bauteilen und ist somit im 

Hinblick auf den Einsatz in Embedded-Systemen sinnvoll. 

Zur Implementierung von Funktionen kann die 

jeweils optimale Plattform (x86/x64-CPU oder FPGA) 

gewählt werden, was den Entwurfsprozess vereinfacht 

und die Leistungsfähigkeit erhöht. 

Bild 4 zeigt einen universellen Laboraufbau des Regelungssystems 

mit MSMST-Plattform und drei der vorgestellten 

Peripheriemodule. In frühen Entwicklungsphasen 

ist häufig ausreichend Reserve an Schnittstellen 

und Rechenleistung wichtiger als das Baumaß. Für die 

Regelung des Prothesenantriebs kann die Anzahl der 

Schnittstellen später noch deutlich reduziert und der 

Raumbedarf durch geeignete Integration minimiert werden. 

Für die ersten Untersuchungen und Messungen am 

Prototyp sowie die Implementierung von Algorithmen 

zur Bewegungssteuerung ist dabei die Verfügbarkeit 

einer kompletten PC-Plattform von Vorteil. 

Übliche PC-Peripherie, wie Arbeitsspeicher, BIOS 

oder Festplatten- und Displaycontroller, sind bereits auf 

dem SBC vorhanden. Zur Anbindung der in der Antriebstechnik 

gebräuchlichen Schnittstellen sind die 

entsprechenden Peripheriemodule über Wannenstecker 

mit den frei verwendbaren Ports des FPGA verbunden. 

Die nachfolgend genannten industrieüblichen Schnittstellen 

sind derzeit im Einsatz, die Ergänzung um weitere 

Medien und Protokolle ist vorgesehen. 

TTL-I/O-Modul: Bidirektionale Ein- und Ausgänge 

mit TTL-Logikpegel für digitale Signale 

ADC-Modul: Differenzielle analoge Eingänge mit einstellbarer 

Verstärkung. Die Umsetzung mittels Delta- 

Sigma-Modulation erlaubt es, Bandbreite und Genauigkeit 

anwendungsspezifisch zu parametrieren. 

DAC-Modul: Analogausgänge mit niedriger Impedanz 

und unterschiedlichen Pegeln, ebenfalls basierend 

auf Delta-Sigma-Modulation 

EnDat-Modul: Schnittstelle für Lagegeber mit dem 

Heidenhain EnDat-2.2-Protokoll 

EtherCAT-Modul: Anbindung an numerische Steuerungen 

über CANopen-Datentypen mittels des 

Kommunikationsframeworks aus [7] 

4.2 Entwurf der SOPC-Komponenten 

Innerhalb des SOPC kommen verschiedenartige Komponenten 

zum Einsatz. Einige entsprechen den Primitiven 

der Regelung (zum Beispiel PI-Regler oder Differenzierer). 

Andere bilden das Gegenstück zu den Peripheriemodulen, 

beispielsweise ein Delta-Sigma-Modulator 

oder eine State Machine für Kommunikationsprotokolle. 

Realisiert wurden unter anderem Filterung, Interpolation, 

Istwert-Erfassung, Regelung, Takterzeugung, Modulation 

der Ausgangsgrößen, Protokollhandling und Ansteuerung 

von Sicherheitslogik. 

Die Verwendung von eigenen oder durch Dritte bereitgestellten 

Intellectual Property Cores (IP-Cores) erleichtert 

die Weitergabe und Wiederverwendung im Entwurfsprozess. 

Entsprechende Generatoren werden insbesondere 

für digitale Filter von FPGA-Herstellern angeboten. 

Deren Nachteil ist jedoch, dass mehrere Parameter bereits 

bei der Erzeugung des FPGA-Designs festgelegt 

werden müssen. Um eine größtmögliche Freiheit für 

Parameter und Struktur zu erhalten, wurden die Komponenten 

in VHDL implementiert. Konstanten (Generics) 

legen dabei nur maximale Werte bezüglich der Datenbreite 

oder Ordnung fest. Der tatsächlich verwendete 

Wert ist über Steuerregister parametrierbar und unmittelbar 

wirksam. Jede Komponente verfügt dazu über ein 

Kommunikationssubmodul, welches die Anbindung an 

den Systembus ermöglicht. Ein Avalon-MM-Slave stellt 

die notwendigen Register als Eingangs- und Ausgangssignale 

zur Verfügung und führt die Transaktionen beim 

Lese- und Schreibzugriff über den Bus durch. 

Bestandteil des Komponentenentwurfs ist die simulative 

Überprüfung von Funktion und Robustheit. Mittels 

geeigneter Testfälle wird dabei verifiziert, ob die geforderte 

Funktion erfüllt wird. Die Modularisierung erleichtert 

die möglichst umfassende Abdeckung mit Testvektoren. 

Im Vergleich zum konventionellen Hardwaredesign 

ist dabei der Nachweis des spezifikationskonformen 

Verhaltens deutlich einfacher und verlässlicher möglich. 

30 


6 / 2014

Grundsätzlich kann das Verhalten sämtlicher Komponenten 

auf verschiedenen Ebenen verifiziert werden. 

Für einzelne VHDL-Module kommt im Lauf der Implementierung 

die Simulation, beispielsweise mittels Modelsim, 

zum Einsatz. Zur Laufzeit des FPGA-Designs 

lassen sich interne Signalverläufe mittels eines einkompilierten 

Chip-Scopes aufzeichnen und auf unterschiedlicher 

Abstraktionsebene betrachten. Dadurch 

ist die Interaktion mit der weiteren Hardware der Anwendung 

darstellbar. Auf Ebene der Regelungsmodule 

erlauben sinnvoll gewählte Parametersätze den Zugriff 

von außen, auch über einen Feldbus, auf die internen 

Signale zur Überwachung oder Fehlersuche. 

4.3 Integration in das FPGA-Design 

Zur Umsetzung eines konkreten Regelungssystems 

wird dessen Struktur mit den entsprechenden SOPC- 

Komponenten nachgebildet. Deren Anordnung und 

Verkopplung, die hierarchisch strukturiert sein kann, 

ergibt sich aus einem Signalflussplan, beispielhaft dargestellt 

in Bild 5. Eine Konfiguration legt die Verschaltung 

und damit den Signalfluss zwischen den Komponenten 

direkt in der Hardware fest. 

Da die entworfenen Komponenten sich an den Vorgaben 

von Altera orientieren, können diese grafisch 

instanziiert und verknüpft werden. Nach Anlegen einer 

neuen SOPC-Komponente werden deren Ein- und Ausgangssignale 

den standardisierten Schnittstellen zugewiesen, 

eine Dokumentation hinzugefügt und wiederverwendbar 

in der Bibliothek abgelegt. 

Bei der Erzeugung eines SOPC-Designs mit Altera 

QSYS sind die verfügbaren Komponenten in Kategorien 

unterteilt und werden durch Hinzufügen zu einem Design 

instanziiert. Die Signale werden als offene Verbinder 

angezeigt und lassen sich durch Auswählen miteinander 

verknüpfen. Dies betrifft zuerst Takt, Reset und 

Systembus, welche an alle Komponenten verteilt werden. 

Die einzelnen Regelgrößen sind unidirektionale 

Signale und werden entsprechend dem Signalflussplan 

verbunden, zur Veranschaulichung ausschnittsweise 

dargestellt in Bild 6. 

Das SOPC wird abschließend in ein Top-Level-Design 

integriert, in dem der verwendete FPGA und umgebungsspezifische 

Rahmenbedingungen (Constraints) 

festgelegt, sowie den Signalen physikalische Pins zugeordnet 

werden. 

4.4 Einschränkungen der Werkzeuge 

Grundsätzlich ist die Entwicklung von funktionalen 

Komponenten auf der Ebene programmierbarer Logik 

im Vergleich zu reiner Software mit einigen Nachteilen 

verbunden. Die notwendige Zeit zur Erzeugung der 

BILD 5: Signalfluss der Regelung im SOPC-Design 

BILD 6: 

Ausschnitt aus 

der grafischen 

Verknüpfung in 

Altera QSYS 

BILD 7: 

Prototyp der 

angetriebenen 

Prothese 


6 / 2014 

31

HAUPTBEITRAG 

FPGA-Konfiguration liegt immer noch um Größenordnungen 

über Compile-Zeiten von Software-Projekten 

mit vergleichbarer Komplexität. Weiterhin ist die Umsetzung 

von Struktur und Datenfluss von komplexen 

SOPC-Systemen in der Antriebstechnik aus Sicht der 

Autoren verbesserbar, da die betrachteten Werkzeuge 

noch Defizite in ihrer Funktionsweise aufweisen. Beispielsweise 

sinken bei wachsender Komplexität sowie 

bei der Verwendung eigener Schnittstellentypen Übersichtlichkeit 

und Handhabbarkeit des Projekts. 

Eine weitere Einschränkung ist die starke Herstellerabhängigkeit 

in den verwendeten Entwicklungsumgebungen. 

Während ein herstellerübergreifender Austausch 

einzelner IP-Cores relativ gut machbar ist, sieht 

dies auf Ebene der SOPC-Systeme deutlich schwieriger 

aus. Im Gegensatz zu einem rein auf die Hardwarebeschreibungssprachen 

VHDL oder Verilog beschränkten 

Design werden mit der Wahl der FPGA-Plattform die 

möglichen Entwicklungswerkzeuge festgelegt. 

weis der Architektur erbringen. Bild 7 zeigt das zugehörige 

Funktionsmuster, mit dem erste erfolgreiche 

Versuche innerhalb eines Ganglabors bereits vorgenommen 

wurden. Das System ermöglicht die effiziente 

Weiterentwicklung situationsangepasster Gangprofile 

und damit die Umsetzung realitätsnaher Bewegungsmuster. 

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Verwendung 

von FPGA in der Antriebstechnik grundsätzlich 

Vorteile bietet. Vergleichbare Hardware-Plattformen 

sind verfügbar, beispielsweise in Form von [8]. 

Die Verwendung standardisierter und modularer Architekturen 

ist entscheidend für eine effiziente Implementierung 

und Anwendung. Dabei verschwimmen die 

Grenzen zwischen Software und Hardware. 

MANUSKRIPTEINGANG 

17.09.2013 

Im Peer-Review-Verfahren begutachtet 

FAZIT 

Die umfangreiche Parametrierbarkeit und schnelle 

Rekonfigurierbarkeit des FPGA erleichtern das Prototyping 

in Bereichen, wo bisher ein teures Re-Design der 

Hardware notwendig war. Dies ist besonders für Produkte 

in kleinen Stückzahlen attraktiv. Dabei stellt die 

offene Architektur die Austauschbarkeit der Komponenten 

sicher, auch herstellerübergreifend. 

Bei der Umsetzung der Regelungsplattform für die 

angetriebene Prothese ließ sich ein Funktionsnach- 

DANKSAGUNG 

Die Arbeit im Rahmen des ZIM-Kooperationsprojekts 

Entwicklung des Prototyps eines aktiven 

Antriebssystems für Prothesen und Orthesen wurde 

unterstützt durch die Arbeitsgemeinschaft 

industrieller Forschungsvereinigungen Otto von 

Guericke e.V (AiF), gefördert vom Bundesministerium 

für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines 

Beschlusses des Deutschen Bundestages. 

AUTOREN 

Dipl.-Ing. PETER ZAHN 

(geb. 1985) absolvierte ein 

Studium an der Universität 

Stuttgart im Fach 


in der Produktion. Seit 

2012 ist er wissenschaftlicher 

Mitarbeiter am 

ISW. Schwerpunkt seiner 

Tätigkeit ist die Antriebs- und Regelungstechnik, 

insbesondere Architekturen für 

FPGA-basierte Systeme. 

Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen 

und Fertigungs einrichtungen (ISW) 

Universität Stuttgart, 

Seidenstraße 36, D-70174 Stuttgart, 

Tel. +49 (0) 711 68 58 24 14, 

E-Mail: peter.zahn@isw.uni-stuttgart.de 

Dipl.-Ing. IGOR LAPTEV 

(geb. 1978) studierte an der 

Staatlichen Universität der 

Stadt Pawlodar, Kasachstan, 

das Fach Elektroantrieb und 

Automatisierung. Danach 

folgte ein Studium an der 

Universität Stuttgart im Fach 

Automatisierungstechnik in 

der Produktion. Seit 2007 ist er wissenschaftlicher 

Mitarbeiter am ISW mit den Schwerpunkten 

Antriebs-, Regelungstechnik, FPGA-Technik und 

Leistungselektronik. 





Tel. +49 (0) 711 68 58 45 11, 

E-Mail: igor.laptev@isw.uni-stuttgart.de 

32 


6 / 2014

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REFERENZEN 

[1] Kramer, C.: Offene Antriebsreglerplattform. 

Heimsheim, Jost-Jetter Verlag 2011 

[2] Bardakcioglu, A., Hafla, A., Laptev, I., Verl, A.: 

Offene Steuerungs- und Antriebsplattform für 

Werkzeugmaschinen und Prozesse - Hybride 

Technologien in der Produktion. In: Fortschritt- 

Berichte VDI Reihe 2 Nr. 675, S. 94-115. 

VDI-Verlag 2010 

[3] Perry, J.: Ganganalyse, Norm und Pathologie 

des Gehens. Urban und Fischer 2003 

[4] Leith, D. J., Leithead, W.: Survey of gainscheduling 

analysis and design. International 

Journal of Control 73 (11), S. 1001-1025, 2000 

[5] Sommer, S.: Selbsteinstellender PI-Regler 

für LPV-Systeme. at - Automatisierungs - 

technik 49 (10), S. 462-469, 2001 

[6] Industrielle Steuerungstechnik GmbH: 

Kernel - Softwarekern für CNC, Robotik 

und Motion Control, 

http://www.isg-stuttgart.de/kernel.html 

[7] Simon, A., Frick, F., Verl, A.: Framework zur 

Systemgestaltung von FPGA-basierten 

Automatisierungsgeräten. Wt Werkstattstechnik 

online Jahrgang 101 Heft 5, S. 378-383, 2011 

[8 ] Krah, J. O., Höltgen, M., Richter, R.: 

FPGA-basierte Motorsteuerung mit Delta- 

Sigma-Strommessung. Elektronik 2013 (6), 

S. 18-23, 2013 

Die Referenzklasse für die 


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Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. 

mult. ALEXANDER VERL 

(geb. 1966) studierte 

Elektrotechnik in Erlangen-Nürnberg, 

Promotion 

1997 am DLR in Oberpfaffenhofen. 

Seit 2005 

Institutsleitung am ISW, 

seit 2006 zusätzlich am 

Fraunhofer-IPA. Die Schwerpunkte seiner 

Forschung bilden Mechanik und Steuerung 

von Werkzeugmaschinen, Simulationstechnik 

in der Fertigungstechnik sowie die Robotik. 





Tel. +49 (0) 711 68 58 24 22, 

E-Mail: alexander.verl@isw.uni-stuttgart.de 

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

HAUPTBEITRAG 

Engineering-Effizienz 

automatisch messen – Teil 2 

Explorative Untersuchung von Methode und Metriken 

Engineering ist ein wesentlicher Kostenfaktor in der Automatisierung. Daher suchen 

Industrie und Akademia gemeinsam nach Methoden, um die Engineering-Effizienz 

zu erhöhen. Leider ist es nicht möglich, solche Methoden objektiv, systematisch, 

reproduzierbar und vergleichbar zu bewerten, weil sich Engineering-Effizienz bisher 

einer systematischen Messung entzieht. Teil 1 dieses Beitrags [1] schlägt einen Ansatz 

zur automatischen Messung und Visualisierung der Effizienz von Engineering-Methoden 

vor. Der hier vorliegende Teil 2 widmet sich der experimentellen Überprüfung 

der Messmethodik und der in Teil 1 vorgestellten Thesen. 

SCHLAGWÖRTER Engineering / Effizienz / Methoden / Konzepte / Effizienzmessung 

Automatically Measuring Engineering Efficiency – Part 2 – 

Definition, Registration and Visualisation 

Engineering is a key cost driver in automation. Therefore, both manufacturers and 

researchers are looking for ways to improve engineering efficiency. Unfortunately, 

without being able to measure engineering efficiency it is not possible to examine 

new methods in an objective, systematic, reproducible or comparable way. Part 1 of 

this paper [1] proposes a concept to automatically measure and visualize engineering 

efficiency. Part 2 is dedicated to the experimental examination of this concept and 

the corresponding theses. 

KEYWORDS engineering / efficiency / methods / concepts / efficiency measurement 

34 


6 / 2014

RAINER DRATH, CHRISTIAN MESSINGER, BEN SCHRÖTER, NUO LI, 

GEORG GUTERMUTH, ABB-Forschungszentrum, Ladenburg 

Ein Ansatz zur Messung und Visualisierung der 

Effizienz von werkzeugbezogenen Methoden 

der Automatisierungsplanung wurde in Teil 1 

dieses Beitrags vorgestellt [1]. In Teil 2 widmen 

sich die Autoren der experimentellen Überprüfung 

der Messmethodik und der in Teil 1 vorgestellten 

Thesen. Dazu führten fünf Versuchspersonen im Labor 

das Engineering eines Benchmark-Projekts durch, während 

im Hintergrund die Messung abläuft. Ziel dieses 

Experimentes ist nicht die Bewertung der untersuchten 

Engineering-Methoden; es wird vielmehr die Aussagekraft 

und Belastbarkeit der vorgestellten Messmethode 

exploriert. Die Zahl der Kandidaten lässt aufgrund der 

geringen Stichprobengröße zwar keine allgemeingültige 

Bewertung der als Beispiel gewählten Engineering- 

Methoden zu, aber sie demonstriert typische Widrigkeiten 

und Fehlerquellen bei der Messung. 

1. TESTAUFBAU UND EXPERIMENT 

Die Evaluierung der vorgeschlagenen Methode zur Messung 

von Engineering-Effizienz erfolgt exemplarisch anhand 

eines konkreten Labor-Planungswerkzeugs für Automatisierungssoftware. 

Im Sinne des Experimentes verwenden 

die Verfasser des Beitrags ein internes, proprietäres 

und experimentelles Planungswerkzeug zur 

Programmierung von Automatisierungsgeräten, siehe 

Bild 1. Die Effizienzmessung ist jedoch keineswegs an das 

verwendete Werkzeug gebunden. Die Methode ist auf beliebige 

Engineering-Artefakte und Werkzeuge übertragbar. 

Das vorgestellte Vorgehen lässt sich uneingeschränkt auf 

Prozesse mit mehreren Planungswerkzeugen anwenden. 

Das Beispielwerkzeug deckt vier typische Engineering-Aktivitäten 

ab: Logikprogrammierung mit Funktionsblockdiagrammen 

(FBD) und Schrittketten (SFC), 

die Konfiguration von Bedienoberflächen, E/A-Kommunikation 

und Test. Diese Aktivitäten umfassen nur einen 

Teil der tatsächlichen Aktivitäten eines Automatisierungsprojektes, 

berühren jedoch die wesentlichen 

Kernbereiche des softwareunterstützten Engineerings 

in der gesamten Wertschöpfungskette. Zur Evaluierung 

wurden die im Teil 1 vorgeschlagenen Messfunktionen 

direkt in das Werkzeug eingebettet. Dies ermöglicht es, 

alle relevanten Interaktionen des Ingenieurs mit dem 

Planungswerkzeug strukturiert zu erfassen. 

1.1 Festlegung der Engineering-Artefakte 

Für die Messung von Effizienz müssen die relevanten 

Artefakt-Typen festgelegt werden. Diese Festlegung ist 

aufgaben- und werkzeugspezifisch und macht die Messmethodik 

auf beliebige Werkzeuge anpassbar. Für die 

Domäne der Automatisierungssoftware im Bereich 

Steuerungen/Regelungen lassen sich herstellerübergreifend 

(ohne Anspruch auf Vollständigkeit) folgende 

Artefakte festlegen: 

Aktoren 

Sensoren 

Controller 

Signale 

lokale und globale Variablen 

Funktionsbausteindiagramme (FBD) 

Ablaufdiagramme (SFC) 

Grafikelemente für die Bedienoberfläche 

1.2 Implementierung der Datenanalysefunktionen 

Zur Messung der Effizienz werden in regelmäßigen 

Zeitabständen die Projektkomplexität (die momentane 

Zahl der konkreten Artefakte im konkreten Planungswerkzeug) 

und die jeweils damit verbrachte Zeit ermittelt. 

Zur Datenanalyse ist neben der Messfunktion die 

Berechnung und Darstellung der Ergebnisse nötig. 

Die Messfunktion wurde von den Autoren direkt in 

das Planungswerkzeug eingebettet. Die Messergebnisse 

werden in einer CSV-Datei abgelegt. Die Berechnung 

und Darstellung der Ergebnisse erfolgt in einer separaten 

Software außerhalb des Planungswerkzeuges. Im 

vorliegenden Fall wird ein vordefiniertes MS-Excel- 

Workbook verwendet. Es liest die gemessenen Daten 


6 / 2014 

35

HAUPTBEITRAG 

aus der CSV-Datei ein und erzeugt daraus Diagramme 

sowie Statistiken wie etwa in Bild 2 (siehe rechte Seite). 

Die Trennung zwischen der Messung und der Auswertung 

mit Hilfe einer Datei-Übergabeschnittstelle 

ermöglicht es, die Auswertesoftware unabhängig vom 

Engineering-Werkzeug wiederzuverwenden. Da das 

Einlesen und Kombinieren mehrerer CSV-Dateien aus 

unterschiedlichen Werkzeugen möglich ist, bildet diese 

modulare Architektur die Grundlage für eine werkzeugübergreifende 

Effizienzmessung. 

1.3 Das Benchmark-Projekt 

Um Vergleichbarkeit bei der Effizienzmessung zu erlangen, 

ist ein Benchmark-Projekt erforderlich. Exemplarisch 

wurde hierzu ein Simple Air Soft Feeding 

System (SASF-System) spezifiziert, eine Anlage zur 

Gasverflüssigung. Dieses Benchmark-Projekt ist nicht 

allgemeingültig, reicht aber für die Evaluierung der 

Messmethodik aus. Fünf Kandidaten planen die Automatisierungssoftware 

und erhalten hierfür als Startpunkt 

eine Anforderungsspezifikation. Um die Auswirkung 

des Faktors Mensch zu beleuchten, wird das Engineering 

dreimal ausgeführt. 

Bild 3 (siehe rechte Seite) zeigt das R&I-Fließbild des 

SASF-Systems. Es besteht aus einem Tank, drei Ventilen, 

sieben Sensoren und einem Druckschalter. Der Operateur 

startet das System per Druckschalter. Sobald der Prozess 

anläuft, soll sich das Ventil V103 öffnen. Dann, nach 2 

Sekunden, öffnet sich das Verflüssigungsventil V102. 

Sobald der Druck im Tank P101 80 % des Maximaldruckes 

erreicht hat, soll das Überdruckventil V101 geöffnet 

werden, bis der Druck auf 60 % abfällt. Zusätzlich 

sollte das Überdruckventil V101 nicht geöffnet werden, 

wenn das Zufuhrventil V103 geschlossen ist. Weiterhin 

sollte das Verflüssigungsventil V102 nicht geöffnet werden, 

während der Druckschalter B101 gedrückt wird. 

Neben der beschriebenen Steuerungslogik sollen die 

Kandidaten eine Bedienoberfläche des SASF-Systems 

erstellen. Das HMI soll dabei den Prozess in einer einfachen 

Grafik zeigen, die Ventile sollten ihre Farbe ändern, 

wenn sie offen oder geschlossen sind (offen = 

blau, geschlossen = schwarz), und der Druck P101 soll 

angezeigt werden. 

Da drei ähnliche Ventile im SASF-System verwendet 

werden, wurden die in Bild 4 gezeigten Anforderungen 

an die Ventilsteuerung definiert. Diese sollen in einer 

Standardventilsteuerung umgesetzt werden. 

Neben diesen Anforderungsbeschreibungen umfasst 

das Benchmark-Projekt vorbereitete Bibliotheken, die 

von einigen Kandidaten gemäß Versuchsplanung in 

Tabelle 1 verwendet werden sollen. Diese Bibliotheken 

sind Teil der untersuchten Engineering-Methode. Es 

soll untersucht werden, ob sich die Effizienz durch 

Wiederverwendung von Bibliothekselementen steigern 

lässt. Beide Bibliotheken enthalten eine Implementierung 

des Ventilblockes gemäß Bild 4. Bibliothek 1 wurde 

gezielt mit Fehlern versehen, sodass eine geringere 

Effizienz erwartet wird. 

2. AUSFÜHRUNG UND EVALUIERUNG DER MESSUNGEN 

Der im Beitrag vorgeschlagene Ansatz zur Bewertung von 

Engineering-Methoden betritt Neuland, weil die Bewertung 

auf Basis von Messungen erfolgt. Das Experiment lieferte 

eine Fülle an Messdaten. Die Autoren merken an, dass das 

Experiment unter teilweise widrigen Bedingungen stattfand, 

aber gerade diese Widrigkeiten halfen, die Messung 

besser kennenzulernen und auf relevante Fragen zu stoßen. 

Das Messergebnis selbst spielt für die Bewertung der Messmethode 

daher nur eine untergeordnete Rolle. 

2.1 Analysestrategie 

Die Auswertung der Messergebnisse erfordert eine Analysestrategie. 

Nach einer Einführung in das Planungswerkzeug 

erhielten die fünf Kandidaten dieselbe Anforderungsspezifikation, 

jedoch unterschiedliche Bibliotheken. Das 

vorgesehene Experiment-Setup ist in Tabelle 1 (rechts) 

abgebildet, alle Kandidaten führen das Engineering dreimal 

durch und variieren dabei ihre Bibliotheken. Aus dem 

Experiment-Setup lassen sich mit fünf Kandidaten in drei 

Versuchen theoretisch 15 Messergebnisse ermitteln. 

Kandidat AW in Zeile 1 beispielsweise sollte seine 

Lösung zunächst ohne jede Bibliothek implementieren 

(das heißt, er kann seine eigenen Bibliotheken bei Bedarf 

selbst erstellen). Im zweiten Versuch sollte zur 

Lösung die fehlerhafte Bibliothek 1 verwendet werden, 

im dritten Versuch die Bibliothek 2. 

Da die Kandidaten ohne spezifische Erfahrungen bezüglich 

des Planungswerkzeugs sowie der Automatisierungsaufgabe 

starten, wird vorläufig angenommen, 

dass alle Kandidaten in derselben Versuchsrunde 

denselben Erfahrungsstand besitzen. Um die Wirkung 

von Wiederverwendung zu untersuchen, müssten dann 

für dieselbe Versuchsrunde die Kandidaten mit unterschiedlichen 

Ansätzen verglichen werden: keine Bibliothek, 

Bibliothek 1, Bibliothek 2. 

Um andererseits das Verhalten der Kandidaten untersuchen 

zu können, müssten die Ergebnisse für diejenigen 

Kandidaten verglichen werden, die dieselbe 

Aufgabe in verschiedenen Erfahrungsebenen (Versuchen) 

durchführen. 

Aus der praktischen Messung ergaben sich jedoch 

Widrigkeiten: Nicht jeder Kandidat beendete alle drei 

Versuche, und nicht jeder Kandidat beendete jeden angefangenen 

Versuch. Tabelle 2 (rechts) zeigt die Ergebnisse 

des tatsächlichen Experiments. Kandidat AW 

startete zwei Versuche im Experiment: Im ersten versuchte 

er, das SASF-System ohne jede Bibliothek zu 

implementieren, konnte seine Arbeit jedoch nicht beenden. 

Seinen zweiten Versuch ohne Bibliothek beendete 

er. In Tabelle 2 steht das hochgestellte n für nicht beendet 

und das hochgestellte c für beendet (completed). 

Die Resultate des Experiments zeigen, dass die Messergebnisse 

trotz Laborbedingungen einer Kombination 

von vielen Einflüssen unterliegen, statt nur dem Messobjekt, 

das heißt der Effizienzsteigerung durch Verwendung 

von Bibliotheken. Dazu gehören: 

36 


6 / 2014

BILD 1: Im Experiment verwendetes Beispielwerkzeug 

BILD 3: R&I-Fließbild 

des SASF-Systems 

STATISTICS 

actuars sensors signals FBDs SFCs Graphics 

total number 2 1 2 2 0 1 

avarage engineering time n.a. n.a. n.a. 00:09:29 00:05:01 

avarage modification time 00:00:10 00:00:10 n.a. 00:01:25 00:00:00 00:01:20 

re-use rate (library) n.a. n.a. n.a. 0% 0% 0% 

re-use rate (copy & pate) n.a. n.a. n.a. 0% 0% 0% 

BILD 2: Effizienz-Cockpit: oben Projekt statistik, links prozentuale 

Verteilung der Arbeitszeiten auf verschiedene Aktivitäten 

I1 

Open Permission 

I2 

Close Permission 

I3 

OpenCloseCommand 

P1 

MotorAddress 

P2 

SensorOpenAddress 

Valve Block 

O1 

IsOpen 

O2 

IsClosed 

• I3 (boolean) öffnet das Ventil (bei true) oder schließt es (bei false), 

wenn die zugehörige Erlaubnis (I1/I2) true ist. 

• Der Aktor wird mittels P1, P2 und P3 (Integer) konfiguriert. P1 adressiert einen 

Motor, P2 und P3 adressiert Berührungssensoren, die die Endposition anzeigen. 

• O1 zeigt an, ob das Ventil offen ist, 

O2 zeigt, ob es geschlossen ist. 

P3 

SensorCloseAddress 

BILD 4: Funktionsblockspezifikation zur Standardventilsteuerung 

Kandidaten Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3 

AW No Lib Lib1 Lib2 

JS No Lib Lib1 Lib2 

MS Lib1 No Lib Lib2 

NK Lib2 Lib1 No Lib 

NL Lib2 Lib1 No Lib 

TABELLE 1: Geplantes initiales Experiment-Setup. 

Jeder Proband sollte in drei Versuchen jeweils eine 

andere Bibliothek (Library) verwenden. 

Kandidaten Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3 

AW No Lib n No Lib c 

JS No Lib c Lib1 c Lib2 c 

MS 

Lib1 n 

NK Lib2 c Lib1 c No Lib c 

NL Lib2 n Lib2 n 

TABELLE 2: Auflistung der realen 

durchgeführten 11 Versuche 


6 / 2014 

37

HAUPTBEITRAG 

Die Expertise der Kandidaten mit der IEC 61131-Programmierung. 

Die Erfahrung der Kandidaten mit dem Werkzeug. 

Obwohl kein Kandidat das Werkzeug zuvor verwendet 

hat, stellen sich Erfahrungen mit ähnlichen 

Werkzeugen als vorteilhaft heraus. 

Die Benutzer- beziehungsweise Erlernfreundlichkeit 

des Werkzeugs. Einige Kandidaten verbrachten viel 

Zeit damit, mit dem Werkzeug vertraut zu werden. 

Qualität der Spezifikation. Einige Kandidaten verbrachten 

viel Zeit damit, die Anforderungsspezifikation 

zu verstehen. 

Domänenwissen. Einige Kandidaten verfügen über 

Erfahrungswissen aus dem Bereich der Prozessautomatisierung, 

andere Kandidaten haben zwar Engineering-Erfahrung, 

allerdings in anderen Domänen. 

Um diese genannten Störungen herausfiltern zu können, 

wurde die Strategie für die Ergebnisanalyse angepasst: 

Die vorläufige Annahme einer gleichen Erfahrungsebene 

für jede Versuchsrunde wird verworfen. Das 

Vorwissen der Kandidaten hat erwartungsgemäß 

erheblichen Einfluss auf deren Effizienz. 

Es ist vorteilhafter, jeden Versuch nach relativen 

Gesichtspunkten zu bewerten statt nach absoluten 

Werten wie der Zeit. 

Es wird versucht, Muster zu finden in der Ausführung 

derselben Aufgaben zwischen unterschiedlichen 

Kandidaten und diese Muster miteinander 

zu vergleichen. 

Darauf basierend werden im nächsten Abschnitt die gesammelten 

Messwerte näher beleuchtet und auf die Wirksamkeit 

der Wiederverwendung sowie das Vorhandensein 

interessanter Muster oder Phänomene hin untersucht. 

2.2 Analyse des Zeitverbrauchs 

Erster Anhaltspunkt für einen Vergleich der Effizienz 

ist der Zeitverbrauch pro Aufgabe und Kandidat. Tabelle 

3 stellt diese in Minuten für jede Aufgabe (ohne Leerlaufzeit) 

dar. Mit Hilfe von Farben werden die Aufgaben 

und deren Komplettierungsgrad unterschieden. 

Tabelle 3 zeigt, dass nur NK und JS alle drei Versuche 

vollenden konnten, wobei NK dafür signifikant weniger Zeit 

benötigte als die anderen Kandidaten. Dies lässt vermuten, 

dass NK der erfahrenste Kandidat war, gefolgt von JS. Die 

Rekordzeit von JS mit Bibliothek 1 erklärt sich dadurch, dass 

sein zweiter Versuch unmittelbar nach dem ersten stattfand, 

während er seinen dritten Versuch einen Monat später 

durchführte. Dies verdeutlicht den starken Lerneffekt. 

AW beendete sein Engineering erst im zweiten Versuch. 

NL konnte sich gegenüber dem ersten Versuch 

mit Bibliothek 2 beim zweiten Versuch mit derselben 

Bibliothek um 23 Minuten verbessern. Obwohl beide 

Ergebnisse nicht ganz fertiggestellt wurden, ist das 

Kandidaten Zeit (min) ohne Leerlauf 

AW 110 121 

JS 120 40 104 

MS 99 

NK 71 79 72 

NL 154 131 

No Lib c 

No Lib n 

Lib 1 c 

Lib 1 n 

Lib 2 c 

Lib 2 n 

Kandidaten 

Zeitverbrauch für Testing 

ohne Leerlaufzeit 

AW 10 | 9% 16 | 13% 

JS 5 | 4% 4 | 11% 45 | 43% 

MS 12 | 12% 

NK 2 | 3% 13 | 17% 4 | 6% 

NL 29 | 19% 20 | 15% 

No Lib c 

No Lib n 

Lib 1 c 

Lib 1 n 

Lib 2 c 

Lib 2 n 

TABELLE 3: Zeitverbrauch 

(gestrichelte Versuche wurden nicht beendet) 

TABELLE 5: Zeit für Test-Aktivitäten (ohne Leerlaufzeit) 

Kandidaten 

Zeitverbrauch für Logik (min) 


AW 82 | 75% 79 | 65% 

JS 73 | 63% 25 | 63% 37 | 36% 

MS 63 | 64% 

NK 16 | 22% 25 | 32% 40 | 56% 

NL 82 | 54% 93 | 71% 

No Lib c 

No Lib n 

Lib 1 c 

Lib 1 n 

Lib 2 c 

Lib 2 n 

Kandidaten 

Zeitverbrauch HMI (min) 


AW 1 | 1% 11 | 9% 

JS 11 | 9% 5 | 13% 2 | 2% 

MS 5 | 5% 

NK 6 | 9% 19 | 24% 13 | 19% 

NL 11 | 7% 0 

No Lib c 

No Lib n 

Lib 1 c 

Lib 1 n 

Lib 2 c 

Lib 2 n 

TABELLE 4: Zeit für die Logikprogrammierung 

(ohne Leerlaufzeit) 

TABELLE 6: Zeit für die Konfiguration der Bedienoberflächen 

(ohne Leerlaufzeit) 

38 


6 / 2014

zweite Ergebnis besser als das erste. Beides verdeutlicht 

die erwartbare Lernkurve der Kandidaten. 

Aus zusätzlichen Messungen im Werkzeug (nicht in 

Tabelle 3 abgebildet) ließ sich ermitteln, dass die Navigationszeit 

(Wechsel zwischen Ansichten im Werkzeug) 

für die meisten Kandidaten zwischen 5 % und 7 % lag. 

Nur NK konnte sehr kurze Navigationszeiten aufweisen 

(2 % bis 3 %). Daraus lässt sich schlussfolgern, dass NK 

deutlich vertrauter mit dieser Art Werkzeugen ist. 

Das Experiment unterstreicht damit herausragend die 

Forderung, dass eine objektive und vergleichbare Messung 

mit routinierten Kandidaten durchgeführt werden 

sollte, die dieselbe Aufgabe bereits mehrfach absolviert 

haben und mit jedem Schritt vertraut sind. NK erweist 

sich als derjenige Kandidat mit dem höchsten Routinegrad. 

Aus diesem Grund fokussiert die folgende Analyse 

verstärkt auf die Auswertung seiner Ergebnisse, 

um den Einfluss des Faktors Mensch zu reduzieren. 

Als nächstes wird untersucht, wie sich die Zeit verteilt, 

die die Kandidaten mit Aktivitäten zur Erstellung 

von Logik, dem Testen und der Konfiguration der Bedienoberfläche 

verbracht haben, siehe Tabellen 4-6. Mit 

Testen bezeichnen die Autoren einen zusammenhängenden 

Zeitraum von Test-Aktivitäten einschließlich 

Leerlauf- und Navigationszeit. 

Die Zellen dieser Tabellen zeigen jeweils zwei Nummern: 

die absolute Zeit in Minuten zur Vervollständigung 

einer Aufgabe sowie den relativen Anteil des 

Zeitverbrauchs des Kandidaten in Prozent gemessen an 

der Gesamtzeit, die der Kandidat für die gesamte Aufgabe 

verbraucht hat, siehe Bild 2. 

Betrachten wir die Ergebnisse von NK: Tabelle 4 

zeigt, dass die für die Logikprogrammierung benötigte 

Zeit aus dem ersten Versuch (mit Bibliothek 2) bis zu 

Versuch 3 (keine Bibliothek) zunimmt, obwohl sein 

Erfahrungsschatz wächst. Mit anderen Worten: Trotz 

des Zuwachses an Erfahrungen verbrachte er mehr Zeit 

in der dritten Runde (ohne Bibliothek) als in den ersten 

beiden (mit Bibliothek 2 und Bibliothek 1). 

Im Gegensatz dazu steht die Zeit von NK, die er mit 

Testen und Konfiguration der Bedienoberfläche verbracht 

hat: Sie war kürzer unter Verwendung von Bibliothek 

2 statt keiner Bibliothek, wobei die Nutzung der 

fehlerhaften Bibliothek 1 in seinem zweiten Versuch am 

längsten dauert. Die Test-Zeit für JS mit Bibliothek 1 war 

ebenfalls länger als diejenige ohne Bibliothek, obwohl 

JS die Implementierung zunächst ohne Bibliothek ausgeführt 

hat und unmittelbar danach dieselbe Aufgabe 

unter Nutzung von Bibliothek 1 durchführte. Dieses 

Phänomen deutet bei NK und JS darauf hin, dass die 

Nutzung einer fehlerhaften Bibliothek schlimmere Folgen 

haben kann als die Verwendung keiner Bibliothek. 

Weiterhin war für JS und NK die Nutzung von Bibliothek 

2 bei der Konfiguration der Bedienoberflächen mit 

deutlich weniger Zeit verbunden als die von Bibliothek 

1 oder keiner Bibliothek. Dies deutet darauf hin, 

dass die Bibliothek 2 hilfreicher für die HMI-Entwicklung 

war. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die 

Messmethodik auch zur Ermittlung von Qualitätsunterschieden 

in Bibliotheken angewendet werden kann. 

BILD 5: Aktivitätsdiagramm für AW ohne Bibliothek (Versuch 2). 

Gut erkennbar ist die Reihenfolge der Arbeitsschritte durch die 

Verwendung der verschiedenen Editoren über die Zeit. 

2.3 Analyse des gewählten Engineering-Workflows 

Aus den ermittelten elf Aktivitätsdiagrammen, ein Beispiel 

ist in Bild 5 gezeigt, lässt sich ableiten, dass in den 

meisten Fällen jeder Kandidat dieselbe Schrittfolge 

wählte: E/A-Kommunikationserstellung (FDI), Logikprogrammierung, 

Testen (Check-out) und Konfiguration 

der Bedienoberfläche (HMI). Eine interessante Beobachtung 

besteht darin, dass in der ersten Versuchsrunde 

fast alle Teilnehmer mit dem HMI begannen, bevor sie 

das Testen durchführten. In der zweiten Versuchsrunde 

hingegen hat kein Teilnehmer mit der Arbeit am HMI 

vor dem Testen begonnen, siehe Bild 5. Die Erstellung 

des HMI wird folglich nicht als vorteilhaft für das Testen 

wahrgenommen. 

2.4 Analyse der Projektkomplexität des fertigen Projekts 

Bild 6 zeigt anhand mehrerer Spinnendiagramme, wie 

viele Artefakte in jedem Einzelversuch erzeugt wurden. 

Hierbei wurden nur die erfolgreichen Versuche von AW, 

JS und NK untersucht. Die Diagramme verdeutlichen: 

Ein und dasselbe Projekt wurde auf verschiedene Weisen 

und mit unterschiedlicher Anzahl von Artefakten 

gelöst. Alle Kandidaten erzeugten 3 Controller, 8 Aktoren 

und 3 Sensoren, aber die Anzahl der anderen Artefakte 

variierte: 3-5 Grafikelemente, 10-30 Signale, 7-12 

Funktionsbausteindiagramme und 0-2 Schrittketten. 

Doch wie geeignet ist dieses Diagramm im praktischen 

Einsatz, kann es die Komplexität eines ganzen 

Projektes sinnvoll visualisieren? Nach kurzem Üben 

erkannte das menschliche Auge schnell ein Projekt- 


6 / 2014 

39

HAUPTBEITRAG 

muster. Die vorgeschlagene grafische Darstellung 

zeigt im Vergleich untereinander ihre Stärken und 

erlaubt ein zügiges visuelles Erfassen des Musters. 

Interessant ist, dass das grundsätzliche Muster der 

Spinnendiagramme beim Betrachten für alle Projektvarianten 

sichtbar ähnlich ist. Die auf Maximalwerte 

optimierte Achsenskalierung verstärkt die Ähnlichkeitswahrnehmung. 

Dies bedeutet, dass ein signifikanter 

Ausreißer aus diesem Muster sichtbar wäre 

und so visuell schnell auf eine potenziell besondere 

beziehungsweise falsche Lösung hinweist. Zeilenweise 

betrachtet lässt sich sogar erahnen, wie JS und NK 

von Versuch zu Versuch einen wiederkehrenden Lösungsansatz 

wählen. Diese Vermutung wäre jedoch 

anhand weiterer Projekte und Untersuchungen noch 

nachzuweisen. 

Die Bilder innerhalb einer Reihe scheinen optisch 

übrigens ähnlicher als beim Vergleich zwischen den 

Probanden. Zudem fiel auf, dass JS in jedem Versuch 

Schrittketten erstellte, wohingegen NK diese nicht verwendete: 

Dies deutet auf unterschiedliche Vertrautheit 

der Kandidaten mit dieser Sprache und weist auf Verbesserungspotenziale 

hin. 

2.5 Analyse des Projektfortschritts über die Zeit 

Einen interessanten Einblick vermittelt das Diagramm 

des Prozessfortschrittes. Um den Einfluss der Kandidatenerfahrung 

zu reduzieren, enthält Bild 7 die Diagramme 

nur für NK und JS, da nur sie alle drei Versuche 

vollständig erfüllten. Die Spalten zeigen hierbei die 

Szenarien: Nutzung von keiner Bibliothek, Bibliothek 1 

und Bibliothek 2 (in dieser Reihenfolge). 

Zunächst wird deutlich, dass alle Projekte in allen 

Versuchen gleichermaßen zu Beginn des Projektes einen 

Sprung aufweisen. Unabhängig von der Verwendung 

einer Bibliothek wurden innerhalb der ersten 3-10 

Minuten 100 % aller benötigten Controller, Aktoren 

oder Sensoren erzeugt. 

Ohne Bibliothek (Spalte 1) mussten die Kandidaten 

alle Artefakte Schritt für Schritt erzeugen – dies wird 

in einem weitgehend kontinuierlichen Anstieg deutlich, 

der sich bis dicht ans Projektende fortsetzt. Ein 

Löschen von Artefakten wird durch einen Rückgang 

der Kurve deutlich. 

Unter Verwendung von Bibliotheken wird die finale 

Anzahl der benötigten Artefakte deutlich früher erreicht, 

bei Bibliothek 2 früher als bei Bibliothek 1 (siehe 

gestrichelte vertikale Linien). Anschließend bleibt 

die Zahl der Artefakte nahezu konstant, weil diese nun 

parametrisiert und verknüpft werden müssen. 

Eine weitere Beobachtung aus den Messergebnissen 

bestand darin, dass fast alle Kandidaten inmitten ihrer 

Tests Zusatzsignale erzeugten, um sie später wieder zu 

löschen. Dies ist in Bild 7 jedoch kaum sichtbar, weil 

das Erzeugen und Löschen der Zusatzsignale zu keinem 

Anstieg der Kurven führt. Für JS und NK war 

dieses Phänomen im Vergleich zum Versuch ohne Bibliothek 

im Datenbestand besonders offensichtlich bei 

Verwendung von Bibliothek 2. Ohne Bibliothek wurden 

im Schnitt 150 % der benötigten Signale erzeugt, 

unter Verwendung von Bibliothek 2 nicht mehr als 

120 %. Die übrigen Kandidaten mit weniger Erfahrung 

erzeugten Zusatzsignale in jeder Aufgabe (bis zu 

150 %). Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die Verwendung 

von Bibliotheken die Zahl von Zusatzsignalen 

reduziert. 

2.6 Analyse der Modifikationsdiagramme 

BILD 6: Projektkomplexität für alle abgeschlossenen 

Lösungen der Kandidaten in allen Versuchen 

Aus den erstellten elf Modifikationsdiagrammen 

konnten die Autoren keine Muster für das Modifikationsverhalten 

der Kandidaten für dieselbe Aufgabe 

ableiten. Es wird deutlich, dass jeder Kandidat sein 

eigenes Modifikationsmuster über alle Versuche hinweg 

beibehielt. 

Dies wird anhand von NK deutlich: Bild 8 zeigt die 

Modifikationsdiagramme von NK für alle drei Versuche. 

Es wird sichtbar, dass NK zunächst die Modifikation 

von Aktoren und Sensoren gleich zu Beginn 

vornahm, anschließend Modifikationen an Logikelementen 

(FBD) vollzog und am Ende die Grafikelemente 

modifizierte. Aus den anderen, hier nicht abgebildeten 

Modifikationsdiagrammen, zeigen sich interessante 

Verhaltensmuster: NL führte Änderungen stets im gleichen 

Zeitmuster durch und durchlief offensichtlich die 

Anforderungsspezifikation in derselben Reihenfolge 

und modifizierte die Artefakte in dieser Abfolge. JS und 

40 


6 / 2014

BILD 7: Vergleich des 

Projektfortschritts von 

drei Versuchen jeweils 

zweier Probanden. 

Die gestrichelte Linie 

zeigt den Übergang 

zwischen starkem 

Wachstum und 

flachem Wachstum der 

Anzahl der Artefakte. 

BILD 8: Modifikationsdiagramme von NK für alle drei Versuche. 

AW zeigten hingegen eine deutlich glattere Modifikationskurve, 

denn sie löschten fortwährend FBD Elemente 

während des gesamten Versuchs. 

2.7 Analyse der Wiederverwendungsdiagramme 

Wiederverwendungsdiagramme zeigen die Häufigkeit 

der Wiederverwendung von Logik- (FBD, SFC) oder 

Grafikelementen durch Instanziieren beziehungsweise 

durch Kopieren und Einfügen von Bibliothekselementen 

in das Projekt. 

Aus der Auswertung dieser Diagramme für alle Kandidaten 

ergibt sich ein signifikanter Zusammenhang 

zwischen dem Akt der Wiederverwendung und dem 

Auftreten von Änderungen. Bild 9 zeigt dies anhand 

eines kombinierten Wiederverwendungs-/Modifikationsdiagramms 

für NK bei der Implementierung des 

SASF mit der Bibliothek 1. 

Es ist zu erkennen, dass nach dem Instanziieren von 

Artefakten aus einer Bibliothek beziehungsweise durch 

das Duplizieren von Artefakten durch Kopieren und 

Einfügen eine erhöhte Modifikationsrate folgt. Dies ist 

plausibel, weil erzeugte Bibliothekselemente anschließend 

angepasst werden müssen. 

Für NK stellt sich für alle drei Versuche heraus, dass 

die Zahl der Modifikationen typischerweise größer war 

als die Zahl der Löschungsaktionen, siehe Bild 10. Für 

die übrigen Kandidaten galt dies andersherum. Dieses 

Phänomen unterstreicht erneut, das NK erfahrener als 

die übrigen Kandidaten ist und Bibliotheken effizienter 

nutzen kann. Bild 10 zeigt die Wiederverwendungs/ 

Modifikationsdiagramme für alle drei Versuche von NK. 

Unter Verwendung der korrekten Bibliothek 2 fällt auf, 

dass in der Test-Phase, hiermit bezeichnen die Autoren 

einen zusammenhängenden Zeitraum von Test-Aktivitäten 

einschließlich Leerlauf- und Navigationszeit, plötzlich erhöhte 

Änderungsaktivitäten auftreten. Hier entdeckte NK 

einen Fehler und korrigierte ihn. Es wird zudem deutlich, 

dass NK unter Verwendung der korrekten Bibliothek 2 in 

der Test-Phase 18 Minuten benötigte, mit der fehlerhaften 

Bibliothek 1 hingegen trotz besserer Kenntnis der Aufgabenstellung 

30 Minuten. Dies bestätigt die verzögernde 

Auswirkung fehlerhafter Bibliotheken. Interessant: ohne 

Bibliotheken in Versuch 3 dauerte die Testing-Phase nur 5 

Minuten: Dies hinterfragt die Bibliothek insgesamt. 


6 / 2014 

41

HAUPTBEITRAG 

BILD 9: Überlagerung von Wieder verwendungsund 

Modifikationsdiagramm (Kandidat NK, 

fehlerhafte Bibliothek 1). Die Achsen wurden so 

gewählt, dass die parallele Entwicklung beider 

Kurven deutlich wird. 

BILD 10: Wiederverwendungs- und Modifikationsdiagramm für NK 

3. EMPFEHLUNGEN UND AUSBLICK 

Der im Beitrag vorgeschlagene Ansatz zur Bewertung von 

Engineering-Methoden betritt Neuland, weil die Bewertung 

auf Basis von Messungen erfolgt. Der Mehrwert dieser 

Methode liegt, wenn sie sorgfältig ausgeführt wird, in 

der Objektivität der Messung. Im Ergebnis ist festzustellen, 

dass die vorgeschlagene Methode zur Messung und 

Visualisierung von Engineering-Effizienz funktioniert 

und – unter der Voraussetzung, dass der Versuchsaufbau 

wohlüberlegt definiert wurde – interessante und wertvolle 

Einsichten zum Thema Engineering-Effizienz liefert. 

Das Experiment zeigt, dass die vorgestellte Messmethode 

tatsächlich Licht in den bisher schwer erfassbaren 

werkzeugbezogenen Engineering-Prozess bringt und 

eine große Fülle von Details liefert. Die wichtigste Erkenntnis 

dieses Experiments ist, dass die individuelle 

Erfahrung der Probanden die Messung erheblich beeinflusst 

und der vorgeschlagene Ansatz zur Effizienzmessung 

nur dann reproduzierbare und vergleichbare Aussagen 

liefert, wenn die Messung von routinierten und 

erfahrenen Kandidaten ausgeführt wird. Dies erfordert 

nicht unbedingt einen Profi, ein routiniertes und mehrfach 

eingeübtes Engineering unter Verwendung einer 

Methode reicht aus. Eine solche partielle Expertise genügt 

und ist erreicht, wenn der Kandidat eine Sättigung 

seiner eigenen Leistung im Benchmark-Projekt verspürt 

oder weitere Versuche keine weiteren Verbesserungen 

anzeigen. Solange der Kandidat unsicher ist, führt dies 

zu starken Störeinflüssen der Messung aufgrund seiner 

individuellen Erfahrung. Für routinierte Probanden ist 

die Lernkurve vor der Messung bereits durchlaufen und 

als Störgröße eliminiert: Dies vereinfacht die Interpretation 

der Messergebnisse und erlaubt eine sinnvolle 

Bewertung der untersuchten Engineering-Methode. 

Für den ungeübten Probanden hingegen wird die individuelle 

Lernkurve beobachtbar und messbar, wenn 

er dasselbe Projekt unter Verwendung derselben Engineering-Methodik 

mehrfach wiederholt. Diese Form der 

Lernkurvenermittlung bietet, gemittelt über mehrere 

Probanden, aufschlussreiches Material zur Verbesserung 

der Usability im Sinne des Selbsterklärungsniveaus 

eines Werkzeuges und macht selbst diesen bislang 

kaum erfassbaren Faktor endlich messbar, quantifizierbar 

und geschäftlich beurteilbar. 

Ferner wird deutlich, dass die sorgfältig ausgeführte 

Messmethode ebenso weiche Faktoren, wie die Fehlerfreiheit 

von Bibliotheken und die Qualität von Anforderungsspezifikationen, 

messbar macht. So zeigte das 

Experiment beispielhaft die nachteilige Wirkung fehlerhafter 

Bibliothekselemente, weil sie die Testphase 

und Fehlersuche erschweren, und es verdeutlicht den 

42 


6 / 2014

Modifikationsaufwand, der nach einer Wiederverwendungsaktion 

entsteht. Dies unterstreicht, dass der Zeitgewinn 

durch Verwendung von Bibliotheken nicht nur 

durch ihre Entwicklungszeit, sondern auch durch Modifikationen 

auf Instanzebene, durch Fehlersuche und 

durch die Zeit zum Finden passender Bibliothekselemente 

reduziert wird. 

Die Messmethode erlaubt folglich Rückschlüsse über 

den Nutzen von Bibliotheken, über gelebte Workflow- 

Muster, die Komplexität des Projektes oder beispielsweise 

Gewohnheiten der Kandidaten. Neben diesen 

Einsichten ergeben sich einige interessante Regeln, die 

bei Einsatz geübter Testingenieure gelten: 

Die Anzahl von Artefakten reflektiert die Projektkomplexität 

gut. 

Die durchschnittliche Zeit pro Artefakt erlaubt 

Vergleiche, wie einfach die Arbeit mit einem Artefakt 

im Werkzeug ist (Usability). 

Die Zeit ohne Leerlauf gestattet Vergleiche, wie 

effizient das Werkzeug insgesamt zu bedienen ist, 

um eine Aufgabe zu erledigen. 

Neben dem Einsatz unter Laborbedingungen bietet dieser 

Ansatz auch im täglichen Projektgeschäft erhellende 

Einblicke und könnte ein Standardverfahren zur 

Verbesserung von Engineering-Werkzeugen werden, bei 

dem Anwender und Hersteller gemeinsam Software auf 

rationaler Basis analysieren. 

Die vorgeschlagene Messmethode versteht sich als 

Beitrag zur Bewertung und Förderung neuer Engineering-Methoden 

und dem Transfer von Ideen aus der 

Wissenschaft in die Praxis. Die durch die Messung ermittelte 

Datenfülle bietet über diesen Beitrag hinaus 

vermutlich noch viele weitere Möglichkeiten und Ansatzpunkte 

zur Interpretation. Sinnvoll wäre beispielsweise, 

allgemeingültige Benchmark-Beispiele für Engineering-Methoden 

zu entwickeln und als Grundlage 

einer breiteren Vergleichbarkeit zu publizieren. 

Wissenschaft und Industrie sind eingeladen, die Methodik 

sowie die vorgestellten Visualisierungsformen 

einzusetzen und weiterzuentwickeln. Das Ziel: neue 

Engineering-Methoden auf den Prüfstand zu stellen 

und ihre Verbesserungspotenziale nachzuweisen. 

REFERENZEN 


14.01.2014 


[1] Drath, R., Messinger, Ch., Schröter, B., Li, Nuo, 

Gutermuth, G.: Engineering-Effizienz automatisch 

messen – Definition, Erfassung und Visualisierung. 

atp edition – Automatisierungstechnische Praxis 

56(5), S. 32-41, 2014 

AUTOREN 

Dr.-Ing. RAINER DRATH (geb. 1970) ist Program Manager im ABB 

Forschungszentrum Deutschland in Ladenburg. Er beschäftigt 

sich mit der Entwicklung neuer Konzepte und Methoden zur 

Verbesserung des Engineering von Automatisierungssystemen. 

ABB Forschungszentrum Ladenburg, 

Wallstadter Str. 59, 

D-68526 Ladenburg, 

E-Mail: rainer.drath@de.abb.com 

Dipl. Phys. GEORG GUTERMUTH (geb. 1969) ist Gruppen leiter 

im ABB Forschungszentrum Deutschland in Ladenburg. Er 

beschäftigt sich mit der Verbesserung von Workflows, 

Werkzeugen und Methoden des Engineering von Automatisierungs- 

sowie elektrischen Systemen. 




E-Mail: georg.gutermuth@de.abb.com 

Dipl. Inf. CHRISTIAN MESSINGER (geb. 1983) ist Scientist im 

ABB Forschungszentrum Deutschland in der Abteilung 

„Industrial Software and Applications“ und beschäftigt sich 

vor allem mit der Entwicklung und Verbesserung von 

Automation-Engineering Software. 


Wallstadter. Str. 59, 


E-Mail: christian.messinger@de.abb.com 

Dr. NUO LI (geb. 1981) ist wissenschaftliche Mitarbeiterin im ABB 

Forschungszentrum Deutschland in Ladenburg. Ihre Themenschwerpunkte 

liegen in der Anwendung von Software-Engineering-Technologien 

zur Verbesserung des Engineering-Prozesses. 




E-Mail: nuo.li@de.abb.com 

Dr.-Ing. BEN SCHRÖTER (geb. 1977) ist Mitarbeiter der Entwicklung 

von speicherprogrammierbaren Steuerungen innerhalb der 

ABB Automation Products GmbH. Sein Arbeits schwerpunkt ist 

die Weiterentwicklung von PC-basierten Engineering-Werkzeugen 

im Umfeld der Fabrikautomatisierung. 

ABB Automation Products GmbH, 

Eppelheimer Straße 82, 

D-69123 Heidelberg, 

E-Mail: ben.schroeter@de.abb.com 


6 / 2014 

43

HAUPTBEITRAG 

OPC UA für Industrie 4.0 

Sicherer Austausch semantischer Information 

Die Kommunikation bei Industrie 4.0 wird nicht mehr auf reinen Daten, sondern auf 

dem Austausch semantischer Information basieren. Darüber hinaus wird die Übertragungssicherheit 

eine herausragende Bedeutung haben. Diese Aufgabenstellungen 

sind Kernpunkte der OPC Unified Architecture (OPC UA). OPC UA enthält eine 

Beschreibungssprache und die Kommunikationsdienste für Informationsmodelle. 

Der Beitrag beschreibt, warum dieser Standard universell nutzbar ist. Er kommt 

bereits in Anwendungsdomänen wie Fertigungs-, Prozess-, Gebäude-, Energieautomatisierung 

und Condition Monitoring zum Einsatz. 

SCHLAGWÖRTER OPC UA / Industrie 4.0 / Informationsmodelle 

OPC UA for Industry 4.0 – 

Transmission Integrity of Semantic Information 

Industry 4.0 communication is based not only on pure data, but also on the exchange 

of semantic information. In addition, transmission integrity is a key factor. These 

tasks are essential aspects of the OPC Unified Architecture. OPC UA contains a 

comprehensive description language and the communication services required for 

information models. It is already applied in several domains including automated 

manufacturing, building automation, process automation, energy automation, and 

condition monitoring. 

KEYWORDS OPC UA / Industry 4.0 / information models 

44 


6 / 2014

KARL-HEINZ DEIRETSBACHER, Siemens 

WOLFGANG MAHNKE, ABB 

Der Trend in der Automatisierung geht dahin, 

die Semantik der Kommunikationsdaten zu 

standardisieren. Normen wie ISA 88 

(IEC 61512, Chargenverarbeitung), ISA 95 

(IEC 62264, MES-Ebene), oder das Common 

Information Model (CIM) mit der IEC 61970 für Energiemanagement 

sowie IEC 61968 für Energieverteilung 

definieren die Semantik der Daten in denen von 

ihnen adressierten Domänen. Dies passiert zunächst 

unabhängig von der Spezifikation, wie die Daten übertragen 

werden. 

Mit OPC UA [1, 2], auch veröffentlicht als IEC 62541 

[3], lassen sich beliebig komplexe Informationsmodelle 

austauschen – und zwar die Instanzen und die Typen 

(die Metadaten). Damit ergänzt es die zuvor genannten 

Standards und ermöglicht eine Interoperabilität auf 

semantischer Ebene. 

Industrie 4.0 setzt auf diesen Trend. In den Umsetzungsempfehlungen 

für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 [4] 

wird gefordert: 

dass die richtigen Daten und Informationen allen 

Beteiligten in allen Lebenszyklus-Phasen zur Verfügung 

stehen müssen; 

dass die Fabrik sich gewissermaßen selbst – durch 

intelligente Sensorik und durchgängige Daten – 

vertikal integriert durch alle Ebenen der Automatisierungspyramide; 

dass Geräte und Systeme in der Lage sein sollen, 

selbstständig Daten untereinander auszutauschen. 

Aufzüge oder Klimaanlagen kommunizieren dann 

über das Netz mit der Wartungszentrale, die den 

Reparaturdienst koordiniert; Container können in 

Echtzeit ihre Position an das Logistikzentrum 

übermitteln, das automatisch den Lastwagen zu 

deren Abholung dirigiert und den notwendigen 

Lagerraum bereitstellt. 

OPC ist in der Fertigungsindustrie und in der Prozessautomatisierung 

der etablierte und anerkannte Standard. 

Erhebungen sprechen von mehr als 2 500 Firmen, 

die über 15 000 OPC-Produkte in Millionen von Installationen 

auf den Markt gebracht haben. Die Plattformunabhängigkeit 

und Skalierbarkeit erlauben einerseits, 

OPC UA direkt in Automatisierungsgeräten (zum Beispiel 

speicherprogrammierbare Steuerungen, Sensoren) 

zu implementieren. Andererseits wird damit auch der 

Weg in High-End- und Leitsysteme geebnet. 

1. ZIELSETZUNG BEI DER KONZIPIERUNG 

OPC UA wurde für die Unterstützung von unterschiedlichen 

Systemen konzipiert: von der SPS in der Produktion 

bis zu den Servern des Unternehmens. Diese Systeme 

sind durch eine Vielfalt hinsichtlich Größe, Leistung, 

Plattformen und funktionellen Fähigkeiten 

charakterisiert. 

Um die Zielsetzung zu erreichen, wurden für OPC UA 

folgende Grundbestandteile spezifiziert, siehe Bild 1: 

Kommunikationsinfrastruktur – für die Mechanismen 

zum Datenaustausch zwischen OPC-UA-Anwendungen. 

Verschiedene Transportprotokolle 

existieren für unterschiedliche Anforderungen 

(optimiert für Geschwindigkeit und Durchsatz = 

UA TCP mit UA Binary; firewall-friendly = http + 

Soap). 

Metamodell – spezifiziert die Regeln und Grundbausteine, 

um ein Informationsmodell über OPC UA 

zu veröffentlichen. Es beinhaltet verschiedene Einstiegsknoten 

und Basis-Typen. 

Dienste – realisieren die Schnittstelle zwischen 

einem Server als Anbieter von Information und den 

Clients als Nutzer dieser Information. 

Die Informationsmodelle sind schichtenweise aufgebaut, 

siehe Bild 2. Jeder höherwertige Typ basiert auf 

bestimmten Basisregeln. Somit können Clients, die nur 

die Basisregeln kennen und implementieren, trotzdem 

komplexe Informationsmodelle bearbeiten. Sie verstehen 

dann zwar nicht die Zusammenhänge, können aber 

zum Beispiel durch den Adressraum navigieren und 

Datenvariablen lesen oder schreiben. 


6 / 2014 

45

HAUPTBEITRAG 

1.1 Integriertes Adressraummodell 

Das Objektmodell erlaubt es, Produktionsdaten, 

Alarme, Events und historische Daten in einen einzigen 

OPC-UA-Server zu integrieren. Damit kann beispielsweise 

ein Messgerät für Temperatur als ein Objekt mit 

seinem Temperaturwert, Alarmparametern sowie 

Alarmgrenzen dargestellt werden. Dies zeigt Bild 3. 

OPC UA integriert und vereinheitlicht die unterschiedlichen 

Adressräume und die Schnittstellen zum Zugriff, 

sodass OPC-UA-Anwendungen nur noch eine 

Schnittstelle zum Navigieren benötigen. 

Um die Interoperabilität von Clients und Servern zu 

fördern, ist der UA-Adressraum hierarchisch aufgebaut; 

die oberen Ebenen sind für alle Server standardisiert. 

Alle Knoten im Adressraum lassen sich über die Hierarchie 

erreichen, können aber untereinander zusätzliche 

Referenzen haben, sodass der Adressraum ein 

zusammenhängendes Netzwerk von Knoten bildet. Im 

Adressraum von OPC UA sind nicht nur Instanzen (Instanzraum), 

sondern auch die Typen der Instanzen 

(Typ raum) enthalten. 

View Service Set – Der Client kann damit durch den 

Adressraum (oder Teile davon) browsen, also in der 

Hierarchie auf und ab navigieren oder Verweisen zwischen 

Knoten folgen. Das Set erlaubt dem Client auch, 

die Struktur des Adressraums zu erkunden. 

Attribute Service Set – Attribute definieren die Merkmale 

von Knoten. Diese Dienste ermöglichen dem Client 

das Lesen und Schreiben von Attributen. 

Method Service Set – Methoden repräsentieren Funktionsaufrufe 

an Objekte. Sie können mit diesen Diensten 

ausgeführt werden. 

Monitored Item Service Set – Mit diesen Diensten 

kann eingestellt werden, welche Attribute aus dem 

Adressraum für einen Client auf Wertänderungen überwacht 

werden sollen oder an welchen Events der Client 

interessiert ist. 

Subscription Service Set – Damit können für MonitoredItems 

Mitteilungen erzeugt, verändert oder gelöscht 

werden. 

Query Service Set – Diese Dienste erlauben dem Client, 

Knoten nach bestimmten Filterkriterien aus dem 

Adressraum auszuwählen. 

1.2 Integrierte Dienste 

OPC UA definiert die notwendigen Dienste (Services), 

um durch den Namensraum zu navigieren, Variablen 

zu lesen oder zu beschreiben oder, um sich für Datenänderungen 

und Events anzumelden. 

Die OPC-UA-Dienste werden in logischen Gruppierungen 

organisiert, die als Service-Sets bezeichnet werden. 

Dienstanfrage und Antwort werden durch Austausch 

von Nachrichten zwischen Clients und Servern 

übermittelt. 

Der Austausch der OPC-UA-Nachrichten erfolgt entweder 

über ein OPC-spezifisches binäres Protokoll auf 

TCP/IP oder als WebService. Anwendungen werden 

meist beide Schnittstellenarten zur Verfügung stellen, 

sodass der Anlagenbetreiber die am besten geeignete Art 

wählen kann. OPC UA stellt neun Basis-Service-Sets zur 

Verfügung. Im Folgenden werden die Sets kurz beschrieben. 

Da nicht alle Server alle Service Sets verwenden, 

lässt sich über ihre Profile abfragen, welche Dienste sie 

unterstützen. Profile werden hier nicht näher betrachtet. 

Secure Channel Service Set – Der Client kann damit 

die Sicherheitskonfiguration des Servers abfragen und 

einen Kommunikationskanal einrichten, bei dem die 

Vertraulichkeit und die Vollständigkeit (Integrität) der 

ausgetauschten Meldungen garantiert ist. Diese Dienste 

werden nicht direkt in der UA-Applikation implementiert, 

sondern vom verwendeten Kommunikations- 

Stack zur Verfügung gestellt. 

Session Service Set – Dient zum Erstellen einer benutzerspezifischen 

Verbindung zwischen Client und 

Server. 

Node Management Service Set – Ermöglicht die Konfiguration 

eines Servers. Der Client kann Knoten (Nodes) 

im Adressraum hinzufügen, ändern oder löschen. 

1.3 Redundanz 

Unterstützung redundanter Server 

OPC UA definiert Mechanismen, um redundante Server 

zu erkennen und – je nach Redundanzklasse (cold, 

warm, hot) – eine Umschaltung zu erkennen oder zu 

veranlassen. Ein redundanter Server besteht aus zwei 

oder mehr Servern. Abhängig von der Anzahl der Server 

wird der redundante Server als redundantes Paar 

oder als redundantes Set bezeichnet. 

Um als redundanter Server zu gelten, müssen alle 

Server im redundanten Set Zugang zu denselben Datenobjekten 

oder einer Teilmenge dieser Objekte haben 

und dieselbe Kennung für diese Objekte nutzen. So 

können Clients nach einer Umschaltung weiterarbeiten 

und auf dieselben Objekte unter Nutzung derselben 

Kennung zugreifen. 

Alle Server im redundanten Set müssen die für 

OPC UA definierten Redundanzobjekte unterstützen. 

Diese Objekte identifizieren Server in redundanten Sets 

und liefern Laufzeit- und Diagnoseinformation über 

Redundanzoperationen. Diese Objekte ermöglichen 

ebenso die Standort-spezifische Konfiguration von Redundanzparametern. 

Außerdem unterstützen alle redundanten 

Server einen Backup-Modus. Er definiert 

die Möglichkeit des Servers, schnell umzuschalten. 

Unterstützung redundanter Clients 

Alle OPC-UA-Server unterstützen redundante Clients 

unabhängig davon, ob sie selbst redundant sind oder 

nicht. Die Unterstützung redundanter Clients wird 

durch drei Fähigkeiten gewährleistet. 

Erstens: Subskriptionen, die Daten und Ereignisse 

liefern, existieren unabhängig von der Session zwischen 

Client und Server. Das bedeutet, dass von einem 

46 


6 / 2014

Client erstellte Subskriptionen nicht sofort beendet 

werden, wenn ein Client unerwartet beendet wird. 

Zweitens: Server führen eine Liste aktiver Clients, in 

der sich redundante Clients registrieren können. Wenn 

ein redundanter Client informiert wird, dass sich sein 

primärer Client vom Server getrennt hat, kann der redundante 

Client die Rolle des primären Clients übernehmen. 

Drittens: Um die Umschaltung im Fehlerfall zu unterstützen, 

kann die Adresse, an welche eine Subskription 

die Daten und Ereignisse liefert, vom Client neu 

konfiguriert werden. Deshalb kann bei Beendigung des 

primären Clients ein sekundärer Client die Subskription 

neu konfigurieren, um die Daten an den sekundären 

Client zu schicken. 

1.4 Horizontale und vertikale Integration 

Traditionell wurde die OPC-Kommunikation für den 

Austausch von Daten zwischen HMI/SCADA und Geräten 

der Automatisierungsebene benutzt (vertikal). 

Da OPC UA plattformunabhängig ist, können und 

werden OPC-Server und -Clients zunehmend in die 

Geräte der Automatisierungsebene (zum Beispiel in 

SPS-Systeme) integriert. Diese Geräte kommunizieren 

dann direkt miteinander (horizontal). 

Für die Realisierung muss zumindest ein Teilnehmer 

Client-Funktionalität enthalten und entweder Daten 

des Partners lesen (Lese- oder Subskribierungsdienste) 

oder Daten im Partnergerät beschreiben (Schreibdienste). 

Auch andere OPC-UA-Dienste, wie Methodenaufrufe, 

sind denkbar. Der Datenaustausch wird häufig 

geplant (projektiert) sein. Das heißt, dass die Geräte mit 

Client-Funktionalität wissen, mit welchen Servern sie 

in Verbindung treten sollen und welche Daten in welcher 

Frequenz zu übertragen sind. 

Controller als Client – MES/ERP als Server 

Mit OPC-UA-Client-Funktionalität übernimmt die 

Steuerung – zusätzlich oder alternativ zur bisherigen 

Rollenverteilung – auch den aktiven, führenden Part. 

Sie kann nach Bedarf beispielsweise Produktionsaufträge 

aus MES/ERP-Systemen abholen, nach Bearbeitung 

quittieren oder, wie erwähnt, mit anderen Steuerungen 

Information austauschen. Auch bei außergewöhnlichen 

Ereignissen eignet sich die Steuerung 

Informationsmodelle 

basierend auf OPC UA 

BILD 1: Das OPC-UA-Fundament 

Basis-OPC-UA-Informationsmodell 

OPC-UA-Dienste 

Kommunikationsinfrastruktur 

· Web Services 

· UA TCP 

OPC-UA- 

Metamodell 

· Objekte (Typen) 

· Variablen (Typen) 

· etc. 

BILD 2: Schichtenarchitektur für Informationsmodelle 

Root 

Field 

Bus 

Sensor 

Bus 

Areas 

Pressure 

Xmitter 

Valve 

Temp 

Xmitter 

“Located In” 

reference 

Area 1 

Current Value Hi Limit Lo Limit 

Hi Alarm Lo Alarm 

Area 2 

Area 3 

BILD 3: 

Einheitlicher 

Adressraum 


6 / 2014 

47

HAUPTBEITRAG 

dazu, eigenständig und spontan eine Verbindung aufzubauen 

und eine Meldung abzusetzen. 

1.5 Plattform-Unabhängigkeit 

Im Gegensatz zu Classic OPC, das auf der DCOM-Technologie 

basiert und deshalb an die Windows-Plattform 

und dort unterstützte Sprachen gebunden ist, wurde 

OPC UA von Beginn an für den Einsatz auf beliebigen 

Plattformen und Programmiersprachen konzipiert. Dies 

lässt sich mit Hilfe von Bild 4 erklären: 

Auf der untersten Ebene sind das abstrakte OPC-UA- 

Modell und die Dienste dargestellt. Darin enthalten 

sind das gesamte Adressraummodell, verschiedene 

Objekt- und Variablenstrukturen, Alarme und vieles 

mehr. 

Auf der nächsten Ebene (Services Binding) wird spezifiziert, 

wie die Dienste auf bestimmte Protokolle abzubilden 

sind. Zurzeit gibt es eine Abbildung für TCP 

(UA-TCP) und für HTTP (OPC-UA-WebServices). In 

Zukunft, wenn sich neue Technologien etablieren, können 

weitere Abbildungen spezifiziert werden, ohne das 

OPC-UA-Modell und die Dienste zu ändern. Die Abbildungen 

basieren ausschließlich auf standardisierten 

Basisprotokollen, die bereits auf allen bekannten Plattformen 

existieren. 

Die folgenden Ebenen sind Realisierungen für dedizierte 

Plattformen und Sprachen. Die OPC-Foundation 

selbst bietet ihren Mitgliedern Realisierungen für die 

Laufzeitumgebungen Java und .NET, sowie für AnsiC/ 

C++. Die letzte Variante enthält eine Plattform-Adaptionsschicht. 

1.6 Performance 

Die OPC-UA-Dienste lassen sich auf unterschiedliche 

Technologien abbilden. Zurzeit gibt es zwei nennenswerte 

Abbildungen: UA-TCP und HTTPS. Der Einsatz 

von UA-TCP über moderne Ethernet-Technologien sichert 

sehr gute Performance-Werte, auch die Dienste 

selbst sind für hohen Datendurchsatz konzipiert. Ein 

einziger Leseaufruf ermöglicht den Zugriff auf Tausende 

von Werten. Subskribierungsdienste lassen die Notifizierung 

bei Änderung und Überschreitung von 

Schwellwerten zu. 

2. INFORMATIONSMODELLE MIT OPC UA 

2.1 Das OPC-UA-Metamodell 

Vorbemerkung: Das OPC-UA-Modell beschreibt, wie 

Clients auf Information im Server zugreifen. Es spezifiziert 

in keiner Weise, wie diese Information im 

Server zu organisieren ist. Sie könnte zum Beispiel in 

einem unterlagerten Gerät oder in einer Datenbank 

liegen. 

Das OPC-UA-Objektmodell definiert einen Satz von 

einheitlichen Knotentypen, mit denen Objekte im 

Adressraum dargestellt werden können. Dieses Modell 

repräsentiert Objekte mit ihren Variablen (Daten/Eigenschaften), 

Methoden, Events und ihren Beziehungen zu 

anderen Objekten. Die Eigenschaften der Knoten werden 

durch OPC-definierte Attribute beschrieben. Attribute 

sind die einzigen Elemente eines Servers, die Datenwerte 

haben. Die Datentypen der Attribute können 

einfach oder auch komplex sein. 

OPC UA ermöglicht die Modellierung beliebiger Objekt- 

und Variablentypen und Beziehungen zwischen 

diesen. Bild 5 zeigt das Beispiel eines Boilers in einer 

technologischen Ansicht und darunter das OPC-UA- 

Adressraummodell. Die Semantik wird vom Server im 

Adressraum angezeigt und kann von Clients (beim Navigieren) 

erfasst werden. Typdefinitionen können standardisiert 

oder herstellerspezifisch sein. Jeder Typ wird 

von der Organisation identifiziert, die für seine Definition 

verantwortlich ist. 

2.2 Generische OPC-UA-Informationsmodelle 

Modelle für allgemeingültige Information (zum Beispiel 

Alarme oder Automatisierungsdaten) sind bereits 

durch OPC spezifiziert. Andere Informationsmodelle 

leiten sich davon ab, um die allgemeinen Definitionen 

weiter zu spezialisieren. Clients, die die allgemeinen 

Modelle verstehen, können daher in gewissem Umfang 

die spezialisierten Modelle bearbeiten. 

Data Access (DA) 

Data Access, kurz DA beschreibt die Modellierung von 

Automatisierungsdaten. Es beinhaltet unter anderem 

die Definition von analogen und diskreten Variablen, 

Engineering Units und Quality Codes. Datenquellen 

sind beispielsweise Sensoren, Regler, Positionsgeber 

und können entweder über direkt am Gerät liegende 

I/O oder über serielle Verbindungen und Feldbusse angeschlossen 

werden, wenn diese sich auf entfernt liegenden 

Geräten befinden. 

Alarms and Conditions 

Dieses Informationsmodell definiert, wie Zustände (Dialoge, 

Alarme) gehandhabt werden. Eine Zustandsänderung 

löst ein Event aus. Clients können sich für solche 

Events anmelden und auswählen, welche der verfügbaren 

Begleitwerte sie als Teil des Event-Reports 

erhalten wollen (zum Beispiel Meldungstext, Quittierverhalten). 

Historical Access (HA) 

HA ermöglicht dem Client Zugriff auf historische Variablenwerte 

und Events. Er kann diese Daten lesen, 

schreiben oder ändern. Die Daten können sich in einer 

Datenbank, in einem Archiv oder in einem anderen 

Speicher befinden. Vielfältige Aggregatfunktionen erlauben 

eine Vorverarbeitung im Server. 

48 


6 / 2014

BILD 5: 

Beispiel eines 

Boilers und 

seiner OPC-UA- 

Modellierung 

Tool or 

Language 

Dependent 

(e.g. .NET) 

API 

Proxy/ 

Stubs 

Services Binding 

Boiler1 

Pipe1001 

FlowTo 

Drum1001 

FT1001 

Valve1001 

DataItem 

DataItem 

Signal 

Signal 

Measurement 

ControlOut 

Setpoint 

FC1001 

LC1001 

Abstract UA Model 

Specification 

FlowTo 

Pipe1002 

LI1001 

DataItem 

Signal 

Signal 

Measurement 

ControlOut 

Executes 

BILD 4: OPC-UA-Modelle und -Dienste sind 

unabhängig von konkreter Technologie. 

FT1002 

DataItem 

Signal 

Signal 

Signal 

Setpoint 

Input1 

Input2 

CC1001 

Executes 

Executes 

Input3 

ControlOut 

ControlModule 

Programs 

Ein ‚Program‘ repräsentiert eine komplexe Aufgabe, wie 

den Betrieb und die Bedienung von Batch-Prozessen. 

Es stellt sich durch einen Zustandsautomaten dar; die 

Zustandsübergänge lösen Meldungen an den Client aus. 

2.3 Technologiespezifische Informationsmodelle 

Etliche Standardisierungsgremien der Leittechnik/ 

Automatisierungstechnik erstellen technologiespezifische 

Informationsmodelle. Beispiele sind 

IEC 61804 (EDDL), ISA SP 103 (Field Device Tool), 

ISA-S88, ISA-S95, und IEC TC 57 (CIM). Diese Spezifikationen 

sind wichtig, da sie jeweils die Bezeichnungen 

von Einheiten, Relationen und Arbeitsabläufen 

bestimmter Wissensgebiete vereinheitlichen. 

Schon frühzeitig hat die OPC Foundation bei der 

Entwicklung des neuen Standards auf die Zusammenarbeit 

mit anderen Organisationen gesetzt. In 

Arbeitsgruppen werden Abbildungsregeln für deren 

Informationsmodelle auf OPC UA spezifiziert (= Companion-Standards). 

Zurzeit handelt es sich um folgende 

Companion-Standards: 

OPC UA for Devices [5] (auch als IEC 62541-100) 

OPC UA for Analyser Devices [6] 

OPC UA for Field Device Integration [7] 

OPC UA for Programmable Controllers 

based on IEC 61131-3 [8] 

OPC UA for Enterprise and Control Systems 

based on ISA-S95 [9] 

OPC UA for Machine Tool Connectivity 

(MTConnect) 

3. SECURITY-MODELL 

Bei OPC UA ist Security eine elementare Anforderung 

und sie wurde daher in die Architektur inte- 


6 / 2014 

49

HAUPTBEITRAG 

User 

it 

Client Plattform 

Client Anwendung 

User security token 

Serv 

er Plattform 

Serv 

eranwendung 

Autorisierung 

und Zugangssteuerung 

Serv 

er 

Obj 

ekte 

T 

Comms 

BILD 6: 

Ebenen der 

OPC-UA-Security- 

Architektur 

griert. Die Mechanismen (vergleichbar mit dem Secure-Channel-Konzept 

der W3C) basieren auf einer 

detaillierten Analyse der Bedrohungen. OPC-UA- 

Security befasst sich mit der Authentifizierung von 

Clients und Servern, der Integrität und Vertraulichkeit 

der ausgetauschten Nachrichten und der Prüfbarkeit 

von Funktionsprofilen. OPC-UA-Security 

ergänzt die von den meisten webfähigen Plattformen 

bereitgestellte Sicherheitsinfrastruktur. Sie basiert 

auf der in Bild 6 gezeigten Architektur. Die drei Ebenen 

sind User Security, Application Security und 

Transport Security. 

Die Mechanismen der OPC UA User Level Security 

werden einmalig beim Aufbau einer Sitzung durchlaufen. 

Der Client übermittelt an den Server ein verschlüsseltes 

Security Token, das den Benutzer identifiziert. 

Der Server authentifiziert den Benutzer anhand des 

Tokens und autorisiert danach den Zugang zu Objekten 

im Server. Autorisierungsmechanismen wie Access 

Control Lists werden in der OPC-UA-Spezifikation 

nicht definiert. Sie sind anwendungs- und/oder systemspezifisch. 

OPC UA Application Level Security ist ebenfalls Teil 

des Sitzungsaufbaus und umfasst den Austausch digital 

signierter Zertifikate. Instanzzertifikate identifizieren 

die konkrete Installation. Softwarezertifikate identifizieren 

die Client- und Server-Software sowie die 

implementierten OPC-UA-Profile. Sie beschreiben Fähigkeiten 

des Servers, wie die Unterstützung eines spezifischen 

Informationsmodells. 

Transport Level Security lässt sich einsetzen, um die 

Integrität mit dem Signieren von Nachrichten zu gewährleisten 

und die Vertrautheit durch das Verschlüsseln. 

Das verhindert die Offenlegung und sichert die 

Unversehrtheit der übertragenen Information. 

Die UA-Sicherheitsmechanismen sind als Teil der 

OPC UA Stacks realisiert, das heißt, sie gehören zum 

von der OPC Foundation bereitgestellten Softwarepaket, 

sodass Client und Server diese lediglich anwenden 

müssen. 

3.1 Skalierbare Security 

Security-Mechanismen benötigen Rechenleistung und 

beeinträchtigen damit die Performance. Security sollte 

daher nur dort zur Anwendung kommen, wo sie benötigt 

wird. Diese Entscheidung sollte nicht der Entwickler/Produktmanager 

treffen, sondern der Anlagenbetreiber 

(Systemadministration). 

Die OPC-UA-Security-Mechanismen sind skalierbar 

konzipiert. OPC-UA-Server stellen Endpoints bereit, die 

unterschiedliche Security-Stufen repräsentieren, unter 

anderem einen Endpoint ohne Security (NoSecurity- 

Profil). In einer Anlage kann nun der Administrator 

bestimmte Endpoints vollständig abschalten (zum Bei- 

AUTOREN 

KARL-HEINZ DEIRETS BACHER 

(geb. 1952) ist seit 1971 bei 

Siemens in verschiedenen 

Forschungs- und Entwicklungsthemen 

tätig, insbesondere 

bei Betriebssystemen und 

Kommunikationstechnologien 

für die industrielle Automatisierung. 

Seit Ende der 1990er- 

Jahre vertritt er Siemens in technischen Gremien 

der OPC Foundation; seit 2011 leitet er das OPC 

Technical Advisory Council (TAC). Derzeitige 

Position: Principal Engineer für das Themengebiet 

Internet Communication. 

Siemens AG, 

Sector Industry, Gleiwitzerstraße 555, 

D-90470 Nürnberg, Tel. +49 (0) 911 895 21 29, 

E-Mail: karl.deiretsbacher@siemens.com 

50 


6 / 2014

spiel den mit dem NoSecurity-Profil). Im Betrieb kann 

aber auch durch den Operator eines OPC-UA-Clients 

der für die jeweilige Aktion geeignete Endpoint beim 

Verbindungsaufbau gewählt werden. Nicht zuletzt können 

OPC-UA-Clients selbst sicherstellen, dass sie für 

den Zugriff auf sensible Daten immer Endpoints mit 

Security wählen. 

3.2 Secure Channel 

Mit dem Secure Channel lassen sich der Security Mode 

und die Security Policy festlegen. Der Security Mode 

beschreibt, wie die Nachrichten verschlüsselt werden. 

Es gibt die von OPC UA definierten drei Möglichkeiten: 

None, Sign und Sign-and-encrypt. Die Security Policy 

definiert Algorithmen zum Verschlüsseln der Nachrichten. 

Für das Einrichten benötigt der Client den öffentlichen 

Schlüssel des Server-Instanz-Zertifikats. Der 

Client übergibt danach sein eigenes Instanz-Zertifikat, 

anhand dessen der Server entscheidet, ob er dem Client 

vertraut. 

3.3 Log-Over 

Das Log-Over ist ein verbreitetes Verfahren in der Automatisierung. 

In einem typischen Szenario hat Benutzer 

A mit bestimmten Befugnissen eine OPC-UA-Session 

etabliert. Für spezielle Aufgaben, die erweiterte 

Befugnisse erfordern, muss sich nun ein anderer Benutzer 

B die Session aneignen. Für dieses Log-Over ist 

eine erneute Passwort-Eingabe erforderlich. 

OPC UA unterstützt diesen Use-Case mit dem Activate-Session-Dienst. 

Dabei wird in einer laufenden Session 

der Berechtigungsnachweis für einen neuen Benutzer 

gemeldet. Dieser neue Benutzer ersetzt nun den 

bisherigen Benutzer. Sollen die Befugnisse wieder an 

den bisherigen Operator übertragen werden, ist ein erneutes 

Log-Over (ein erneuter Aufruf des Activate- 

Session-Dienstes) erforderlich. Dieses Verfahren eignet 

sich genauso für den Schichtwechsel zwischen Operatoren 

mit gleichen Befugnissen. 

FAZIT 

In der Diskussion um Industrie 4.0 werden die technischen 

Aspekte noch sehr rudimentär behandelt. Jedoch 

lässt sich bereits feststellen, dass die Anforderungen 

bei Themen wie Kommunikation, Datenaustausch, 

horizontale und vertikale Integration durch OPC UA 

erfüllt beziehungsweise unterstützt werden und dies 

somit einer der gesuchten Standards werden kann und 

sollte. OPC UA stellt Protokoll und Dienste bereit (das 

Wie), um reichhaltige Informationsmodelle (das Was) 

zu publizieren und komplexe Daten zwischen unabhängig 

entwickelten Anwendungen auszutauschen. Es 

gibt bereits mehrere für OPC UA zugeschnittene Objektmodelle. 

Diese sind um die bei Industrie 4.0 zusätzlich 

benötigte Information zu ergänzen. 


10.02.2014 


REFERENZEN 

Dr.-Ing. WOLFGANG MAHNKE 

(geb. 1971) studierte Informatik 

an der Universität Stuttgart 

und promovierte an der 

TU Kaiserslautern im Bereich 

Datenbanken und Informationssysteme. 

Von 2004 bis 

2012 arbeitete er als Wissenschaftler 

in der Konzernforschung 

von ABB, seit 2012 als Software-Architekt 

bei der ABB Automation GmbH. Schwerpunkt 

seiner Arbeit bei ABB ist die Architektur von 

Leitsystemen. 

ABB Automation GmbH, 

Kallstadter Straße 1, D-68309 Mannheim, 

Tel. +49 (0) 621 381 17 82, 

E-Mail: wolfgang.mahnke@de.abb.com 

[1] OPC Foundation: OPC UA Specification: Part 1 – 

Concepts.Version 1.01 

[2] Mahnke, W., Leitner, S.-H., Damm, M.: OPC Unified Architecture, 

Springer, 2009 

[3] IEC 62541 series: OPC Unified Architecture, Part 1-10, 

Edition 1.0, 2010 

[4] Promotorengruppe Kommunikation der Forschungsunion 

Wirtschaft – Wissenschaft: Umsetzungsempfehlungen für das 

Zukunftsprojekt Industrie 4.0 Abschlussbericht, April 2013 

[5] OPC Foundation: OPC UA for Devices – Companion Specification, 

Version 1.01, 2013 

[6] OPC Foundation: OPC UA for Analyser Devices – Companion 

Specification, Version 1.1, 2013 

[7] FDI Cooperation: FDI-2021-2027 FDI Technical Specification, 

Version 0.9, 2013 

[8] PLCOpen / OPC Foundation: OPC UA for IEC 61131-3 – 

Companion Specification, Version 1.0, 2010 

[9] OPC Foundation: OPC UA for ISA-95 Common Object Model – 

Companion Specification, Version 1.0, 2013 


6 / 2014 

51


Virtuelle Inbetriebnahme 

in der Prozessindustrie 

Effektives Engineering und früher Start-up 

Trotz kurzer Abwicklungzeiten, beschränkter Ressourcen und komplexer Systemfunktionalitäten 

ist es durch Simulation möglich, höhere Qualitätsstandards bei 

Automatisierungsapplikationen zu erzielen. Simulation, und damit die virtuelle 

Inbetriebnahme, ist ein Kernelement der Vision des integrierten Engineerings, da 

sich so mehr Effizienz in der Planung und beim Betrieb von Anlagen erreichen lässt. 

Der Beitrag beschreibt, wie durch die Umsetzung einer virtuellen Inbetriebnahme 

in einer Batch-Anlage ein effektives Engineering und ein früherer Start-up erreicht 

werden konnte. 

SCHLAGWÖRTER Simulation / Inbetriebnahme / Engineering / Namur 

Virtual Commissioning in the Process Industry – 

Effective Engineering and Quicker Start-ups 

Simulation is a strategic lever that can be used to achieve a high quality standard 

despite the challenges of tighter project schedules, limited resources and more complex 

systems and functionalities. Simulation, in particular virtual commissioning, 

is an enabler in the vision of integrated engineering, as it allows for a more efficient 

engineering workflow. This article describes how implementing virtual commissioning 

in a batch plant can lead to more effective engineering and an earlier start-up. 

KEYWORDS simulation / commissioning / engineering / Namur 

52 


6 / 2014

RACHEL CHAN, MICHAEL KRAUSS, BASF 

Das Ziel der Automatisierungstechnik ist, neben 

der Entlastung der Menschen von gefährlichen 

und anstrengenden Tätigkeiten eine 

bessere Produktqualität und eine höhere Leistungsfähigkeit 

von Maschinen und Apparaten 

zu realisieren [1]. Dabei hat die Automatisierungstechnik 

in den vergangenen Jahren von Fortschritten 

aus Bereichen wie Elektrotechnik, Elektronik, Informationstechnik 

und der interdisziplinären Kombination 

verschiedener Themenfelder profitiert. Trotzdem gilt, 

dass mit der Komplexität eines Systems der Schwierigkeitsgrad 

ansteigt, um dieses beherrschbar zu machen. 

Obgleich also stetig weniger manuelle Arbeitskraft benötigt 

wird, sind umso mehr qualifizerte Arbeitskräfte 

notwendig, um Projekte erfolgreich durchzuführen. 

Diese Herausforderungen drängen die Industrie dazu, 

Engineering-Prozesse zu optimieren und dies steht im 

Kontext zu den Initiativen im Bereich Industrie 4.0. 

Simulation [2] kann ein Werkzeug sein, um trotz der 

Herausforderung durch knapper werdende Ressourcen 

ein hohes Maß an Qualitätssicherung zu erreichen: Auf 

einer Simulationsplattform lassen sich umfangreiche 

Prüfungen in einer virtuellen Umgebung durchführen, 

um die Risiken während der Inbetriebnahme (IBN) und 

im laufenden Betrieb zu reduzieren. 

Die virtuelle Inbetriebnahme (VIBN) ist kein neues 

Thema in der Industrie, und im Bereich der Chemie 

gewinnt sie immer mehr an Bedeutung. Bei BASF wurden 

erste Schritte im Bereich virtuelle Inbetriebnahme 

für Batch-Anlagen in einem Prozessleitsystem-Migrationsprojekt 

unternommen, um eine kurze Umschlusszeit 

gewährleisten zu können; die Software-Applikation 

wurde in einer virtuellen Anlage mit einem vereinfachten 

Prozessmodell getestet. 

1. VIRTUELLE INBETRIEBNAHME UND IHRE VORTEILE 

Die Phase der Inbetriebnahme dient dazu sicherzustellen, 

dass alle Systeme und Komponenten gemäß Betreiberanforderungen 

konfiguriert, installiert und implementiert 

sind. In dieser Zeit sind die Automatisierungskomponenten 

schon in der Anlage beziehungsweise im 

Feld vorhanden. Die Abnahme der Automatisierungsapplikation 

wurde im Vorfeld der Inbetriebnahme bereits 

in einem Factory Acceptance Test (FAT) [2] durchgeführt. 

Loop Checks wurden vorgenommen, um die 

Signalübertragung zu prüfen und dafür zu sorgen, dass 

das System wie geplant funktioniert. 

In dieser Phase trifft die digitale Welt auf die Realität 

und viele Fehler und Dateninkonsistenzen, die 

nicht in dem FAT erkannt wurden, treten hier zu Tage. 

Diese Fehler werden jedoch oft zu spät erkannt, um 

sie rechtzeitig vor dem geplanten Anfahren zu korrigieren 

[3]. Das Anfahren der Anlage wird dadurch 

verzögert, und dies führt zu einem Produktionsverlust 

der Anlage. Daher gilt die Regel: Je später ein Fehler 

gefunden wird, desto aufwendiger ist es, diesen zu 

beheben, siehe Bild 1. 

Die virtuelle Inbetriebnahme hat das gleiche Ziel wie 

eine reale Inbetriebnahme mit dem Unterschied, dass 

die Prüfungen in einer virtuellen Anlage durchgeführt 

werden. Die Grundidee ist das Testen der Automatisierungsapplikation, 

die entweder eine neu konfigurierte 

Software oder eine kleinere Anlagenänderung darstellen 

kann, in einer virtuellen Umgebung vor Installation 

in der realen Anlage. Softwarefehler, die in dem traditionellen 

FAT nicht gefunden wurden, werden hier 

erkannt und korrigiert und somit ist der Zeitanteil zur 

Suche und Beseitigung der Fehler in der realen Inbetriebnahme 

eingespart. 

1.1 Technik der virtuellen Inbetriebnahme 

Ein Prozessleitsystem besteht aus verschiedenen Komponenten, 

den Anzeige- und Bedienkomponenten 

(ABK), den prozessnahen Komponenten (PNK) und den 

Ein- und Ausgangssignalen (E/A-Signale). Diese Komponenten 

sind über konventionell verdrahtete E/A- 

Komponenten oder Feldbussysteme mit den Feldgeräten 

verbunden. Die ABK sind die Schnittstelle zum Menschen 

und stellen den Zustand des Systems dar. Manuelle 

Eingriffe werden hier vorgenommen, von den PNK 


6 / 2014 

53


verarbeitet und an die Feldgeräte übermittelt. Während 

die PNK das Gehirn des Systems bilden, sind die E/A- 

Komponenten und Feldbusse das Rückenmark. Die 

Feldgeräte spielen in diesem Bild die Rolle der Nerven 

und Muskeln des Systems. Damit sich die Applikation 

des Systems vor dem Einspielen in das reale System 

testen lässt, wird das Gehirn mit einem simulierten 

Körper verbunden. So ergibt sich die Möglichkeit, Störungen, 

kritische Situationen oder unerwartete Eingaben 

zu simulieren, um das System ohne Beschädigung 

von Personen oder der Anlage zu testen. 

Die virtuelle Inbetriebnahme kann entweder als Hardware 

in the Loop oder Software in the Loop umgesetzt 

werden. Hardware in the Loop bedeutet, dass das simulierte 

Anlagenmodell an die realen prozessnahen Komponenten 

(PNK) angeschlossen ist, bei Software in the 

Loop wird zusätzlich die PNK emuliert, siehe Bild 2. 

Bei Hardware in the Loop werden die PNK über eine 

Hardware-Schnittstelle an die Simulationsplattform 

angeschlossen, zum Beispiel mit Simba Profibus von 

Siemens. Das Verhalten der Profibus Slaves wird in dieser 

Schnittstelle simuliert und für den Profibus Master 

ergibt sich kein Unterschied, ob die Slaves simuliert 

oder real sind [4]. Im Vergleich zur steuerungsinternen 

Simulation kann hier der Busverkehr simuliert werden, 

um Last- und Performancetests des Bussystems durchzuführen. 

Diese steuerungsinterne Simulation hat den 

Nachteil, dass eine Änderung der Hardwarekonfiguration 

notwendig wäre, weil das Simulationsmodell in der 

Steuerung realisiert werden muss. Dies könnte zu einer 

zusätzlichen Auslastung der Steuerung führen. 

Software in the Loop bietet zusätzliche Vorteile: Einer 

davon ist die Möglichkeit, die Simulation parallel 

zum traditionellen FAT durchzuführen, da die PNK 

nicht für die VIBN erforderlich sind. Das wiederum 

heißt, dass die Gesamtzeit der FAT-Phase verkürzt wird. 

Des Weiteren können durch Software in the Loop längere 

Vorgänge in der Simulation wie Füllen, Vakuumziehen 

oder Temperieren künstlich beschleunigt werden, 

um lange Testzeiten zu vermeiden. Zudem können 

in der Betriebsphase Anlagenänderungen zunächst auf 

der Simulationsplattform getestet werden, bevor die 

Applikation auf die PNK geladen wird. 

1.2 Vorteile durch virtuelle Inbetriebnahme 

In einem traditionellen FAT werden Eingangsparameter 

in der Steuerung simuliert, um die Reaktion des Systems 

zu prüfen. Ein Beispiel dafür ist der Test der Reihenfolge 

von Schrittkettenabläufen in einer Batch-Anlage. 

Ein Fehler im Schrittkettenablauf könnte an der 

Systemeigenschaft liegen, wodurch das Problem nicht 

durch systeminterne Manipulation einiger Parameter 

erkannt werden kann. 

Der Engineering-Workflow kann durch den Einsatz 

von Simulationstools verbessert werden. Frühzeitige 

Fehlererkennung und Korrektur bedeutet weniger Probleme 

und Aufwand zu einem späteren Zeitpunkt des 

Workflows, der typischerweise eine kritischere Phase 

des Projekts ist. Denkbar ist die Möglichkeit, im laufenden 

Betrieb Anlagenänderungen und Optimierungen 

zu testen. Die Auswirkung der Änderung wird 

früher erkannt, mögliche Schäden an der Anlage verhindert. 

Letztendlich können die Anlagenfahrer mittels 

der Simulationsplattform geschult werden. Störungen 

und kritische Szenarien lassen sich simulieren 

damit das Personal lernt, wie es auf solche Szenarien 

reagieren muss. Bei Migrationsprojekten können die 

Bediener früh ein Gefühl für das neue System bekommen 

und es somit nach dem Anfahren schneller und 

besser bedienen. 

1.3 Simulation als Teil von Industrie 4.0 

Die Visionen des Programms Industrie 4.0 können auf 

drei unterschiedliche Achsen projiziert werden [5]: Die 

horizontale Integration über Wertschöpfungsnetzwerke 

hinweg, die vertikale Integration mit vernetzten Produktionssystemen 

und die digitale Durchgängigkeit des 

Engineerings über den gesamten Lifecycle. Im Hinblick 

auf den dritten Aspekt werden heute unterschiedliche 

Werkzeuge zur Erfüllung von aufeinander folgenden 

Aufgaben, das heißt zur Anlagenplanung, -änderung 

oder -erweiterung verwendet. Diese Werkzeuge, zum 

Beispiel verfahrenstechnische, prozessleittechnische 

oder betriebsbedingte Werkzeuge, werden nicht zusammengeführt 

und alle Änderungen müssen in diesen 

Werkzeugen mit hohem Aufwand gepflegt werden [6]. 

Dieser Aufwand beeinflusst die Zeit für das Engineering 

und die Instandhaltung. Hier spielt integriertes 

Engineering eine große Rolle, und dieses Thema wird 

in den nächsten Jahren noch mehr Aufmerksamkeit 

erhalten. 

Die genannten Herausforderungen bei Projekten wirken 

sich stark auf die Qualität der Automatisierungsapplikation 

aus. Die Simulation ist ein Wegweiser für 

das integrierte Engineering: Simulation bringt die beiden 

Welten, digital und real, früher zusammen, da sich 

so eher in einem Projekt realitätsnahe Gegebenheiten 

erreichen lassen. Und falls erforderlich, ist es möglich, 

das Engineeringergebnis frühzeitig zu ändern oder zu 

optimieren. Ein weiterer Anknüpfungspunkt zum integrierten 

Engineering besteht, wenn es darum geht, Anlagenänderungen 

im laufenden Betrieb vorzunehmen. 

Alle Anlagenänderungen, die durchgeführt werden, 

können mittels Simulation im Vorfeld getestet werden, 

um die Qualität der Applikation zu gewährleisten. 

1.4 Status quo und Vision des integrierten Engineerings 

Engineering wird von vielen Anwendern mit der Planungsphase 

einer neuen Anlage gleichgesetzt. In einem 

weiter gefassten Kontext schließt Engineering die Prozesse 

zur Dokumentation von Anlagen von der Planung 

bis zur Demontage mit ein. 

54 


6 / 2014

BILD 1: Aufwand für Fehlerkorrekturen [7] 

BILD 2: VIBN: Hardware in the Loop und Software in the Loop 

Aufwand 

Zeit 

BILD 3: Vergleich des heutigen 

Engineering-Workflows mit der Vision 

vom integrierten Engineering 

BILD 4: PCS7 Steuerungen mit Simit 

Der auf der linken Seite im Bild 3 dargestellte Engineering-Workflow 

ist als Wasserfallmodell bekannt [7]. 

Alle Phasen in dem Modell werden nacheinander ausgeführt 

und als Folge werden Prüfungen erst bei FAT 

beziehungsweise IBN durchgeführt, was generell zu 

einer späteren Fehlererkennung führt. Falls eine Messstelle 

oder ein Typical falsch konfiguriert wurde und 

dieser Fehler erst bei der Inbetriebnahme entdeckt 

wird, müssen alle betroffenen Planungsdaten überarbeitet 

werden. Das Ziel vom integrierten Engineering 

ist, mittels Simulation und anderer Werkzeuge paralleles 

Engineering in allen Phasen zu erreichen. Ingenieure 

können in diesem Zielbild schon in den Designund 

Engineeringsphasen Konzepte und Typicals mit 

den Kunden festlegen, frühzeitig testen, konkretisieren 

und freigeben lassen. Die Daten, die bereits in früheren 

Phasen in einem integrierten System bereitstehen, können 

in allen Phasen des Projekts verwendet werden. 

Hierdurch entfällt der Aufwand für den späteren Datentransfer 

zwischen verschiedenen Tools und die dabei 

notwendige Qualitätssicherung der Daten [6]. Ein 

weiterer Vorteil ist die potenziell kürzere Abwicklungszeit 

von Projekten. Die Phasen werden durch paralleles 

Engineering verkürzt; dies erfüllt die Forderung nach 

kurzen Time-to-Market-Zeiten [7]. 

2. PILOTIERUNG IN EINER BATCH-ANLAGE 

Bei einem Prozessleitsystem-Migrationsprojekt hat die 

BASF eine virtuelle Inbetriebnahme durchgeführt, um 

die korrekte Funktionalität der Automatisierungsapplikation 

sicherzustellen. Die Migration bestand nicht nur 

aus einem reinen Upgrade, sondern enthielt gleichzeitig 

die Optimierung der Ablaufsteuerungen sowie die 

Einführung eines Batch-Systems. Dies führte zu einer 

komplett neuen Planung und Konfiguration der Batch- 

Applikation. Aufgrund der kurzen Abstellungszeit der 

Anlage war der Bedarf an intensiven Tests vor der eigentlichen 

Inbetriebnahme sehr hoch. 

Die Simulationsumgebung wurde für den FAT mit allen 

Messstellen, die in den Schrittketten verwendet wer- 


6 / 2014 

55


BILD 5: Vergleich des Engineering- 

Workflows in Projekten mit und 

ohne VIBN: Der rote Pfeil entspricht 

der Zeit zur Fehlerkorrektur 

während der Inbetriebnahme. 

den, erstellt und der Test der Automatisierungsapplikation 

in der virtuellen Anlage wurde parallel zum traditionellen 

FAT durchgeführt. Hier kam die enge Zusammenarbeit 

zwischen BASF, Siemens und M+W, 

Auftragnehmer des Migrationsprojekts, zum Tragen. 

2.1 Vereinfachtes Prozessmodell erstellen 

Eine Hardware-in-the-Loop-Architektur wurde mit 

dem Werkzeug Simit von Siemens aufgebaut. Die simulierten 

Komponenten enthalten die E/A-Signale, 

die Feldinstrumentierungen, die Profibus-Kommunikation 

und ein vereinfachtes Prozessmodell. Bei der 

Erstellung des Modells wurde eine händische Übernahme 

der Anlagentopologie mit Hilfe der R&I-Fließbilder 

ins Simulationstool durchgeführt. Wegen der 

Kompatibilität von Siemens PCS7 mit Simit ist es 

möglich, beim Anlegen der Messstellen eine automatische 

Konvertierung der E/A-Konfiguration durchzuführen. 

Die virtuelle Inbetriebnahme wurde mit einer 

Wasserfahrt ohne Reaktionskinetik betrieben, das 

heißt die Stoffdaten der tatsächlichen Edukte und 

Produkte wurden durch die von Wasser ersetzt. Damit 

können im Gegensatz zu einem vollen First-Principles-Simulator 

nicht die exakten Messwerte erreicht 

und simuliert werden; allerdings wird die korrekte 

Kausalität zwischen Aktoren und Sensoren, zum Beispiel 

der Zusammenhang zwischen Kugelhahn, 

Durchflussmesser und Füllstandsmessung, hergestellt. 

Sollten die durch die Wasserparameter erzeugten 

Messvariablen Alarm- oder Transitionsgrenzen 

verletzen, kann zusätzlich eine messstellenspezifische 

Skalierung der Simulationswerte vor Weiterleitung 

an die Steuerungsebene durchgeführt werden. 

Besonders interessant ist diese Möglichkeit im Zusammenhang 

mit der Verwendung von historischen 

Daten einer Bestandsanlage. 

Der Hauptfokus der Simulation war das Testen der 

Automatisierungsapplikation, sodass die Wasserfahrt 

in diesem Fall ausreichend war. Die Erstellung des 

Wasserfahrt-Modells hat in Bezug auf die Vorteile, die 

daraus gewonnen wurden, wenig zeitlichen und finanziellen 

Aufwand verursacht. 

2.2 Ergebnisse des Einsatzes von VIBN 

Trotz eines zuvor durchgeführten 100 %-Tests während 

des traditionellen FAT wurden zusätzliche Fehler 

durch die virtuelle Inbetriebnahme entdeckt. Aufgrund 

der positiven Auswirkungen des Tests wurde der Umfang 

der virtuellen Inbetriebnahme vor der realen IBN 

weiter ausgedehnt. Alle Messstellen, auch die noch 

nicht durch Schrittketten automatisierten, wurden in 

die Simulation aufgenommen. Außerdem wurden alle 

Vorortbedienungen, zum Beispiel Schlüsselschalter 

und Dosierfreigaben, in der Simulationsumgebung realisiert. 

Der Batch-Zyklus konnte vollständig gefahren 

werden, und wesentliche Probleme wurden dadurch 

aufgedeckt. Letztendlich hat das System nicht als reiner 

FAT-Simulator gedient, sondern war nahe an einem 

Trainingssystem für eine einfache Systemschulung. 

Einige Fehlertypen, die gefunden wurden, sind zum 

Beispiel falsch verriegelte Schrittketten, eine falsch 

konfigurierte Anschaltbaugruppe und falsch definierte 

AUTOREN 

Bachelor of Science, 

RACHEL MEI PING CHAN 

(geb. 1986) ist seit 2010 

bei der BASF SE, Ludwigshafen, 

im Fachzentrum 


auf dem Gebiet der Prozessleittechnik 

tätig. 

Ihre Themengebiete sind 

technische Evaluierung für Automatisierungslösungen 

und Leitsystemmigrationen. 

BASF SE, 

D-67056 Ludwigshafen, 

Tel. +49 (0) 621 607 42 66, 

E-Mail: rachel-mei-ping.chan@basf.com 

56 


6 / 2014

Grenzwerte. Beim Verriegelungsfehler wurde entdeckt, 

dass eine Schrittkette nicht weiterlaufen konnte, weil 

ein Absperrventil falsch verriegelt wurde. Bei der Umsetzung 

der Schrittketten auf das PCS7 wurden Teile 

verschoben und Zusätze eingebracht, was falsche Synchronisationen 

zur Folge hatte. 

Diese Fehler würden in einem Projekt ohne virtuelle 

Inbetriebnahme erst in der Inbetriebnahme entdeckt, 

und es könnte länger dauern, bis die Fehlerquellen gefunden 

werden. Das andere genannte Beispiel, die 

falsch konfigurierte Anschaltbaugruppe, wäre erst bei 

den Loop Checks in der Anlage gefunden worden. 

Dies verdeutlicht, dass nicht alle Fehler in einem traditionellen 

FAT gefunden werden können und dass 

durch die frühzeitige Entdeckung und Korrektur der 

Fehler die Zeit bei der Inbetriebnahme wesentlich reduziert 

wurde. Im Fall, dass dieses Projekt ohne virtuelle 

Inbetriebnahme abgewickelt würde, wäre das Anfahren 

der Anlage verzögert worden, siehe Bild 5. 

Beim Projekt besteht natürlich noch Verbesserungspotenzial 

in verschiedenen Bereichen, zum Beispiel 

was die Wartezeit bei längeren Vorgängen betrifft, die 

in diesem ersten Projekt unterschätzt wurden. Dies 

könnte potenziell durch auf PCs emulierten Steuerungen 

verbessert werden. Die positive Erfahrung dieser 

Pilotierung zeigt, dass es in einer Anlage mit einer 

komplexen Batch-Applikation und einem engen Projektzeitplan 

sehr wertvoll war, in eine virtuelle Inbetriebnahme 

zu investieren. 

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 

Zum Bewältigen der Herausforderungen, wie kürzere 

Projektabwicklungszeiten, knappe Ressourcen, kom- 

plexe Funktionalitäten und Erfüllung aller Erwartungen 

des Kunden, ist es notwendig die virtuelle Inbetriebnahme 

einzusetzen. Beim Engineering von Leitsystemen 

ist es nicht möglich, sich unter Zeitdruck mit 

allen technischen Details zu beschäftigen. Daher 

braucht es Werkzeuge um die Planungsdaten beziehungsweise 

Applikationen frühzeitig zu prüfen. Durch 

die virtuelle Inbetriebnahme kann eine höhere Engineering-Qualität 

erreicht werden, weil Fehler früh erkannt 

und eine falsche Konzeptionierung zeitnah korrigiert 

werden können. 

Mit zunehmenden Innovationen rund um Industrie 4.0 

und integriertes Engineering ist zu erwarten, dass virtuelle 

Inbetriebnahme und andere Werkzeuge integrale 

Bestandteile des Engineering-Ablaufs werden. 

Werkzeuge und Konzepte für integriertes Engineering 

werden entwickelt, um eine einheitliche Datenhaltung 

über den gesamten Lebenzyklus der Anlage hinweg 

zu gewährleisten. Eine Initiative in diese Richtung ist 

der Namur-Datencontainer zwischen CAE und PLS. 

Der Container wird in einer Namur-Empfehlung definiert, 

um die Schnittstelle zwischen CAE und PLS zu 

standardisieren [6]. Weiterhin lässt sich das Simulationstool 

im laufenden Betrieb für Anlagenänderungen 

und als Systemtrainingssimulator verwenden. Ein 

nächster Schritt wäre, die in Forschungsarbeiten erfolgreich 

untersuchten Ansätze [2] in Produkten umzusetzen, 

damit Endanwender ihre Anlagentopologie 

und Planungsdaten aus dem CAE-Planningstool per 

Knopfdruck in das Simulationstool laden können. Das 

wird die Zeit für die Modellerstellung nochmal deutlich 

verkürzen. 


03.01.2014 


REFERENZEN 

Dr. rer. nat. MICHAEL KRAUSS 

(geb. 1984) ist seit 2010 bei 

der BASF SE, Ludwigshafen, 

im Fachzentrum Automatisierungstechnik 

tätig. 

Er leitet seit 2013 das Fachgebiet 

DCS Technology 

Support. Seine Schwerpunkte 

sind Projekte auf dem Gebiet 

der Höherautomatisierung, Unterstützung der 

Beschaffung von Leitsystemen und Strategien für 

Leitsystemmigrationen. 

BASF SE, 

D-67056 Ludwigshafen, 

Tel. +49 (0) 621 604 66 94, 

E-Mail: michael.krauss@basf.com 

[1] HS-Merseburg, Jan. 2014. http://www.hs-merseburg.de/~seela/cms/ 

[2] Barth, M., Fay, A.: Automated generation of simulation models for 

control code tests. Control Engineering Practice 21, S. 218-230, 2013 

[3] Process News 4/2012: Virtuelle Inbetriebnahme 

[4] Siemens: SIMBA Profibus Produktbeschreibung 

http://www.industry.siemens.com 

[5] Forschungsunion, Acatech, Bundesministerium für 

Bildung und Forschung: Abschlussbericht des Arbeits kreises 

Industrie 4.0: Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt 

Industrie 4.0, April 2013. 

[6] Tauchnitz, T. (2013): Integriertes Engineering – wann, 

wenn nicht jetzt! Notwendigkeit, Anforderungen und Ansätze. 

atp – edition (1-2), S. 46-53. 

[7] Liu, Zh., Suchold, N., Diedrich, Ch.: Virtual Commissioning of Automated 

Systems. Otto-von-Guericke University, Magdeburg, 

http://cdn.intechopen.com/pdfs/37992/InTech-Virtual_commissioning_ 

of_automated_systems.pdf 


6 / 2014 

57

IMPRESSUM / VORSCHAU 

IMPRESSUM 

VORSCHAU 

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DIV Deutscher Industrieverlag GmbH 

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Spartenleiterin: 

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Automatisierungs technik) 

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der Prozessindustrie). 

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Jürgen Franke (verantwortlich) 

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„atp edition – Automatisierungs technische 

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DIE AUSGABE 7-8 / 2014 DER 

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