Modellierung elektrischer Schnittstellen und Kabel mit AutomationML
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Peer-Review: 18.02.2021 Modellierung elektrischer Schnittstellen und Kabel mit AutomationML Modellierungsmethodik und Bibliotheken Prof. Dr.-Ing. Rainer Drath, Hochschule Pforzheim; Markus Rentschler, Balluff GmbH Elektrische Verbindungen sind wesentliche Bestandteile jedes Automatisierungssystems. Dieser Beitrag stellt eine Modellie- rungsmethodik und erste Bibliotheken elektrischer Schnittstellen für Automatisierungsgeräte vor, die mit dieser Methodik entlang vorhandener Standards für elektrischer Schnittstellen entwickelt wurden. Diese Bibliotheken können als digitale Repräsen- tationen der zugehörigen Standards verstanden werden, d.h. sie bilden die zugrundeliegenden Normen als elektronisches Datenmodell ab, eine Lösung für die künftige Einbindung von Normen und Standards in Industrie 4.0 Verwaltungsschalen. Die dabei entwickelte Methodik ist generisch, herstellerneutral und kann für weitere elektrische Schnittstellen fortgesetzt werden. Interessenten sind eingeladen, die Ergebnisse anzuwenden, zu kommentieren und zu ergänzen. #AutomationML #elektrische Schnittstellen #AutomationML Editor Modelling of electrical interface and cables via AutomationML Modeling methodology and libraries Electrical interconnections are essential components of any automation system. This paper presents a modeling methodology and first libraries of electrical interfaces for automation devices developed with this methodology along existing standards for electrical interfaces. These libraries can be understood as digital representations of the associated standards, i.e. they repre- sent the underlying standards as an electronic data model, a solution for the future integration of standards into Industrie 4.0 asset administration shells. The methodology developed is generic, vendor-neutral and can be continued for further electronic interfaces. Interested parties are invited to apply, comment on and supplement the results. #AutomationML #electrical interfaces #AutomationML Editor Einleitung und Zielstellung Abbildung 2 zeigt industrielle Anwendungen von derartigen Motivation elektrischen Schnittstellen: einerseits als Schnittstellen am Elektrische Schnittstellen bilden die Anschlusspunkte von Automatisierungsgerät (a), andererseits als Endstücke von Kabeln und sind die Grundlage für die Interaktion zwischen Kabeln (b), mit denen Automatisierungsgeräte verbunden Automatisierungskomponenten. Über elektrische Schnitt werden können. stellen wird die Energieversorgung für Geräte und der Daten Um einen standardisierten Austausch von Engineering- austausch zwischen Geräten sichergestellt. Abbildung 1 Informationen über Automatisierungsgeräte zu erreichen, zeigt einige typische Beispiele für elektrische Schnittstellen sind im Rahmen industrieller Digitalisierungsstrategien in der Automatisierungstechnik. bereits eine Reihe von Domänenmodellen für die elektro Elektrische Schnittstellen sind in vielen Fällen normiert. Aus nische Modellierung von Automatisierungsgeräten [5], leit der Office-Welt sind im täglichen Umgang eine Vielzahl von technisch relevanter Sensoren und Aktoren (PLT-Stellen) [6] USB Varianten bekannt, beispielsweise Stecker USB Typ A, [7] sowie zur elektronischen Abbildung prozesstechnischer Typ B, Mini-B und Micro-B sowohl für USB 2.0 als auch für Anlagen [8] u.v.m entstanden. Ein grundlegendes Element USB 3.0. IEC 60603-7 [1] definiert die bekannte Schnittstelle fehlte jedoch durchgängig: standardisierte elektronische In RJ45, IEC 60807-2 [2] den SubD9 Stecker, ANSI B93.55M [3] formationsmodelle für elektrische Schnittstellen sind nicht die 7/8” Schnittstellen. etabliert. Die Planung und Modellierung von Kabeln, Kabel Die für industrielle Automatisierungsgeräte häufig verwen bäumen oder Verkabelungstopologien ist die Domäne viel deten M12 Steckverbinder definiert die IEC61076 [4] mit fältiger proprietärer Engineering-Werkzeuge. Als Ursache dafür einer Vielzahl von Varianten, beispielsweise in den Codie lassen sich die hohe Vielfalt elektrischer Schnittstellen und rungsvarianten A, B, C, D und P mit unterschiedlichen Aus die damit verbundenen Aufwände ausmachen. Dabei wür prägungen mit 2 Pins, 3 Pins, 4 Pins bis zu 17 Pins. den solche Modelle viele Anschlusspunkte für bestehende 1
Digitalisierungsstrategien bieten und erhebliche Wertschöp
fungspotentiale eröffnen, die im Folgenden aufgeführt werden.
Anwendungspotentiale
Herstellerübergreifend standardisierte maschinenlesbare
Informationsmodelle für elektrische Schnittstellen würden
eine Vielzahl spannender technischer und kommerzieller
Anwendungsfälle mit erheblichen Vorteilen ermöglichen: M12 (IEC61076-2) RJ45 (IEC60603-7) 7/8’’ (ANSIB93.55M)
Abbildung 1: Beispiele elektrischer Schnittstellen
» Anlagenbetreiber könnten ihre Anforderungsspezifika
tionen für Stecker, Buchsen, Kabel, Kabelbäume und
kombinierte elektrische Schnittstellen maschinenlesbar
modellieren und an Hersteller von Kabeln übersenden.
Dies erfolgt heute proprietär, z.B. mit Hilfe von Listen,
Tabellen oder Gesprächen.
» Kabelhersteller könnten den Auftragsverkehr vereinfa
chen, indem sie Bestellungen in Form maschinenlesbarer
Anforderungsspezifikationen entgegennehmen und ihre a) b)
Produktion damit automatisiert betreiben. Typische Abbildung 2: Elektr. Schnittstellen in Automatisierungsgeräten und Kabeln
Fehler und Missverständnisse durch klassische Anforde
rungsbeschreibungen (Telefonate, Texte, Tabellen) ent
fallen, die produzierten Kabel können beim Hersteller » Es soll ein Modellierungssprache ausgewählt werden,
gegen die Spezifikation geprüft und anschließend direkt die eine herstellerneutrale, flexible und erweiterbare In
auf die Baustelle geliefert werden. formationsmodellierung elektrischer Schnittstellen auf
Basis verfügbarer Semantiken unter Verwendung objekt
» System-Integratoren könnten geprüfte Bibliotheken be orientierter Prinzipien ermöglicht.
währter wiederverwendbarer Lösungen inklusive Ver
kabelungen speichern oder Musterlösungen für typische » Es soll eine Methodik entwickelt werden, die ein einfa
Anwendungen entwickeln und kommerzialisieren. ches Vorgehensmodell zur Modellierung definiert.
» Komponentenhersteller könnten digitale Produktkata » Die Methodik ist anhand ausgewählter Beipiele zu eva
loge für Automatisierungskomponenten mit elektrische luieren.
Schnittstellen und ggf. vorverkabelte Systeme oder Lö
sungen anbieten und damit auch die Verbindungsviel » Es soll eine Bibliothek elektrischer Schnittstellen ent
falt ihrer Geräte maschinenlesbar, nachvollziehbar und wickelt und im industriellen Kontext erprobt werden.
algorithmisch prüfbar ablegen. Dies vereinfacht die in [9]
beschriebene Idee einer automatischen Geräteauswahl » Die Bibliotheken und die Methodik sollen frei verfügbar
auf Basis digitaler Anforderungsx-spezifix-kationen von sein.
Automatisierungssystemen ganz erheblich.
» Die herstellerneutralen Bibliotheken sollen weitgehend
» ECAD-Toolhersteller könnten neue Funktionen zur Ana kompatibel zu bestehenden Normen und Standards sein.
lyse und Prüfung der Anforderungsspezifikationen, zur
Verkabelungsoptimierung, zum Ausführen automati » Die Entwicklungsmethodik soll die Modellierung prop
scher Tests und Testprotokollen anbieten. rietärer Ausprägungen elektrischer Schnittstellen sowie
ihre Einbettung in proprietäre Produktkataloge und
» Die Wissenschaft könnte neue Methoden und Algorith Musterlösungen erlauben.
men zur Auswertung von elektronischen Anforderungs
spezifikationen, zur Planungsoptimierung, zum Generie » Die Methodik soll verständlich und praktikabel sein.
ren von Teststrategien, zur KI basierten Erkennung von
projektübergreifenden Musterlösungen oder zur auto
matischen Fehlersuche entwickeln. Begriffe und Modellierungsprinzipien
Elektrische Schnittstellen können komplex aufgebaut sein.
Ziele und Anforderungen Die Autoren schlagen die Separation von drei Dimensionen
Ziel der hier vorgestellten Arbeit war, elektrische Schnittstel vor. Eine Dimension ist die physikalische Ausprägung des
len herstellerneutral, maschinenlesbar und erweiterbar zu Steckverbinders, eine zweite die Ausprägung der elektri
modellieren. Um dieses Ziel zu erreichen, haben sich die schen verbindbaren Kontakte, eine dritte ist die logische
Autoren im Sinne einer systematischen und praxistauglichen Schnittstellenfunktion. Ein elektrischer Steckverbinder mit
Vorgehensweise folgende Anforderungen gestellt: seinen elektrischen Schnittstellen (Kontakten) mit einer
2dienen. Mehrere physikalische Steckverbinder können zu
verschachtelten, proprietären industriellen Schnittstellen zu
sammengeschaltet werden. Steckverbinder haben durch ihre
Normierung ebenfalls herstellerneutralen Charakter und wer
den mit AutomationML als InterfaceClasses modelliert.
Typische Beispiele für elektrische Steckverbinder sind M12,
RJ45, 7/8‘‘, Sub-D, USB 3 und viele mehr. Das abgebildete Bei
spiel (Abbildung 3) veranschaulicht diese Aspekte.
Der M12-Stecker an einem Kabelende in Abbildung 3 ist ein
physikalischer elektrischer Konnektor, der die physikalische
Darstellung des Steckverbinders inklusive Gehäuse, elektri
Abbildung 3: Steckverbinder, elektrische Schnittstelle und Schnittstellen sche Pins etc. modelliert. Seine Funktion ist jedoch noch nicht
funktion definiert, er könnte in einen Energieanschluss oder einen
Ethernet-Port gesteckt werden und daher im Betrieb (beim
bestimmten physikalischen Ausprägung und zugehörigen Anschließen, Abziehen oder Wiederanschließen in eine kom
Merkmalen erfüllt eine (oder mehrere) logische Funktion, patible M12-Buchse) seine Anwendung ändern.
die sich teilweise erst im Betrieb entscheidet. Die hier vorgestellte Modellierungsmethodik bildet die er
Zur Beherrschung dieser Mehrdimensionalität wird zwi forderliche Wandelbarkeit durch die separate Modellierung
schen der abstrakten logischen Schnittstellenfunktion (z.B. der logischen Schnittstellenfunktion systematisch ab (siehe
Ethernet), dem physikalischen Steckverbinder (z.B. in Form Anforderung b). Das ermöglicht folgende Anwendung: eine
eines A codierten M12 Steckers mit 4 Pins) und den eigent M12-Buchse eines Automatisierungsgerätes kann durch eine
lichen elektrischen Schnittstellen (den Pins) unterschieden, Beschaltung speziell als logischer IO-Link-Port ausgelegt sein.
siehe Abbildung 3. Erst diese Separation ermöglicht das er Sobald ein von der Kodierung passender M12-Stecker eines
forderliche Maß an Modellierungsflexibilität. Kabels mit dieser M12-IO-Link-Buchse verbunden wird, erhält
Zur Erfüllung von Anforderung (a) wählen die Autoren die er sofort die Funktion eines IO-Link-Steckers, und das ange
Datenmodellierungssprache AutomationML [10]. Automa schlossene Kabel wird zum IO-Link-Kabel. Die Anwendung
tionML ist herstellerneutral, internationaler Standard und des Kabels ist in diesem Fall also eine dynamische Eigen
bietet die erforderliche Modellierungsflexibilität, eine ausge schaft, die durch seine Verwendung definiert wird.
prägte Methodik zur objektorientierten Informationsmodel Für die Modellierung relevanter Schnittstelleneigenschaften
lierung und darüber hinaus eine standardisierte Persistenz, wurde auf Basis von Befragungen innerhalb des beteiligten
die ein zügiges Modellieren und Erproben im Tool-Kontext Industrie-Konsortiums eine Reihe relevanter Attribute identi
ermöglicht. Die vorgestellten Dimensionen werden dabei fiziert und in mehreren Attributtyp-Bibliotheken mit Automa
wie folgt verstanden und modelliert: tionML abgebildet (siehe GenericIndustrialAttributeTypeLib
Eine logische Schnittstellenfunktion gibt eine abstrakte in Abschnitt 3.3). Um die Semantik der Attribute zu beschrei
Beschreibung der Zielanwendung des elektrischen Steck ben, referenzieren die Attribute auf verfügbare Wörterbücher,
verbinders. Ein Steckverbinder kann z. B. als digitaler Ein beispielsweise das IEC Common Data Dictionary. Damit ist die
gang, Ethernet-Schnittstelle oder der Energieversorgung Namensgebung der Attribute frei wählbar und die Semantik
dienen. Diese abstrakte Funktion ist unabhängig von seiner referenziert bewährte externe Standards.
physikalischen Umsetzung. Diese werden mit AutomationML Die hier entwickelten Bibliotheken sind in Übereinstimmung
als RoleClasses modelliert und haben aufgrund ihrer Her mit den existierenden Klassen der AutomationComponent
stellerneutralität hohes Wiederverwendungspotential. Bibliotheken [5] entwickelt worden und integrieren sich in
Eine elektrische Schnittstelle beschreibt die tatsächlich ver deren Modelle.
bindbaren elektrischen Kontakte. Dies können einzelne Stifte Reale Steckverbinder sind wettbewerbliche Produkte kon
(Pins) oder mechanische Anordnungen sein, die mehrere kreter Hersteller. Zur Erfüllung von Anforderung (g) wird
Stifte mit einer bestimmten Geometrie enthalten (Steckver Mithilfe der hier vorgestellten herstellerneutralen Klassen
binder). Diese werden mit AutomationML als InterfaceClasses ein Modellierungsbaukasten entwickelt, der die Beschrei
modelliert und besitzen aufgrund ihrer Herstellerneutralität bung konkreter Steckverbinder in ihrer individuellen pro
ebenfalls hohes Wiederverwendungspotential prietären Ausprägung ermöglicht. Diese Ausprägungen
Ein Steckverbinder dient dazu, eine oder mehrere Schnitt werden mit AutomationML in Form von SystemUnitClasses
stellenfunktionen physikalisch zu realisieren. Er ist eine modelliert (c).
elektromechanische Einrichtung, die dazu dient, elektrische
Anschlüsse zu verbinden und einen elektrischen Stromkreis
herzustellen. Elektrische Konnektoren bestehen meist aus Überblick über die entwickelten Bibliotheken
mechanischen Schnittstellen wie Steckern oder Buchsen, Abbildung 4 gibt einen Überblick über die Bibliotheken, die
die mehrere elektrische Kontakte enthalten, und aus damit bei der Modellierung der elektrischen Schnittstellen ent
verbundenen logischen Schaltungen, die Funktionen zum standen sind und in den folgenden Abschnitten skizziert
Senden, Empfangen oder Verarbeiten elektrischer Signale werden, gefolgt von einer exemplarischen Anwendung an
implementieren. Die Verbindung kann temporär sein oder hand Kabel-, Geräte und Topologie-Modellen. Dies adressiert
als permanente elektrische Verbindung zwischen Geräten Anforderung (d).
3Logische Schnittstellenfunktionen
Abbildung 5 zeigt die Basisbibliothek logischer Schnittstellen
funktionen ConnectorFunctionRCL. Diese Rollen können
physischen elektrischen Schnittstellen flexibel zugeordnet
werden. Elektrische Schnittstellen mit mehreren Funktio
nen sind durch Zuordnung mehrere Rollen leicht abbildbar.
Diese Klassenbibliothek umfasst typische Schnittstellen
funktionen, aufgrund der Verwendung von AutomationML
ist diese Bibliothek mit AutomationML-Bordmitteln jedoch
erweiterbar, die Modellierungsregeln werden im Anschluss
erläutert.
Elektrische Steckverbinder
Mit Hilfe von CAEX InterfaceClasses werden die physikali Abbildung 4: AML Bibliotheken zur Modellierung elektrischer Schnittstellen
schen elektrischen Steckverbinder systematisch modelliert,
dies wird am Beispiel der IEC 61076 gezeigt, diese Norm stan
dardisiert unter anderem die bekannten industriellen M12-,
M8- und M5-Steckverbinder in einer Vielzahl von Varianten
mit unterschiedlichen Geometrien (Kodierungen), Polzah
len, Anwendungsfällen und Eigenschaften. Die Kodierung
benennt dabei eine bestimmte Geometrie, die dafür sorgt,
dass nur Steckverbinder mit der kompatiblen Kodierung
mechanisch zusammenpassen.
Abbildung 6 zeigt die Schnittstellenklassenbibliothek Con
nectorLib_IEC61076 und ihre ersten beiden Hierarchieebenen.
Die ConnectorLib_IEC61076 ist die Schnittstellenklassen
bibliothek für alle Steckverbinder-Klassen, die sich auf die
IEC61076 beziehen.
Abbildung 5: Rollenklassenbibliothek für typische Schnittstellenfunktionen
» Die Klasse IEC61076-2 ist eine abstrakte Schnittstellen
klasse für Teil 2 der IEC62076.
» Die Klassen M12, M8 und M5 sind die Basisklasse für die
jeweiligen abgeleiteten Steckverbinder-Klassen, abge
leitet von ElectricInterface nach dem Automation Com
ponent Model.
» Die Klasse PinType ist die Basis-Schnittstellenklasse, die
einen elektrischen Pin modelliert. Alle Pins werden von
dieser Klasse abgeleitet.
Die weiteren Klassen IEC61076-2-101...105 modellieren die
Hierarchie der elektrischen Schnittstellen der verschiedenen
Subspezifikationen der IEC61076-2, siehe Abbildung 6.
Die weiteren vorhandenen Bibliotheken widmen sich
der Modellierung von M7-8, RJ45, USB und Klemmenan
schlüssen.
Modellierung von Attributen
In der GenericIndustrialAttributeTypeLib wurde eine Reihe
von Attributtyp-Bibliotheken entwickelt (siehe Abbildung 4).
Abbildung 7 zeigt dies anhand einiger Beipiel-Attributetypen.
Diese Attributtypen werden über eine selbsterklärende Be
schreibung und, wo möglich, über semantische Referenzen
zu existierenden Semantikbibliotheken (z.B. IEC-CDD, eC
lass) menschen- und maschinenlesbar definiert.
Abbildung 8 zeigt die Anwendung der Attribut-Bibliotheken
beispielhaft anhand der Attribute der Basis-Interface-Klasse Abbildung 6: Basisklassen und unterstützte Coding-Varianten gemäß
M12. Alle M12-Varianten erben diese Attribute. IEC61076-2
4Schnittstellentypen
» Existierende Schnittstellenklassen für el. Schnittstellen
sollen bestmöglich wiederverwendet werden.
» Neue elektrische Schnittstellentypen müssen in einer CAEX
InterfaceClass modelliert und direkt oder indirekt von der
Schnittstellenklasse ElectricInterface aus der Bibliothek
AutomationMLComponentBaseICL abgeleitet sein.
» Gemeinsame Eigenschaften sollten in einer abstrakten
InterfaceClass modelliert werden, Varianten eines
Schnittstellentyps sollen durch Ableitung der abstrakten
InterfaceClass gebildet werden: so erben sie die gemein
Abbildung 7: GenericIndustrialAttributeTypeLib samen Eigenschaften und fügen variantenspezifische
Daten hinzu.
Modellierung von kabelbezogenen Rollen Pins
Abbildung 9 zeigt die kleine Bibliothek CableRoleClassLib, » Pins sind immer als ExternalInterface modelliert.
bestehend aus den Rollen Cable, Wire und Adapter. Sie mo
dellieren die Semantik entsprechender Objekte und werden » Elektrische Pins sollen bestmöglich von existierenden
verwendet, um Klassen oder Instanzen maschinell inter Klassen abgeleitet werden.
pretieren zu können. Als Basis-Rolle wurde die AML Stan
dardrollenklasse Resource gewählt, weil Kabel, Drähte und » Neue Pin-Typen müssen in einer CAEX InterfaceClass
Adapter selbst noch keine spezifischen Funktionen besitzen, modelliert und direkt oder indirekt von der Schnittstel
sondern abstrakte Produktionsressourcen sind. lenklasse ElectricInterface aus der Bibliothek Automa
Eine spätere Erweiterung oder Spezialisierung dieser Rollen tionMLComponentBaseICL abgeleitet werden.
ist mit Bordmitteln von AutomationML realisierbar. Die Nut
zung eines konkreten Kabels z.B. später als PhysicalConnec » Gemeinsame Eigenschaften sollten in einer abstrakten
tion aus AutomationML Teil 5 ist durch eine weitere Zuord InterfaceClass modelliert werden, Varianten eines Pins
nung dieser Rolle möglich. sollen durch Ableitung der abstrakten InterfaceClass
gebildet werden: so erben sie die gemeinsamen Eigen
schaften und fügen variantenspezifische Daten hinzu.
Generische Modellierungsregeln
Die Modellierung von elektrischen Schnittstellen (Steckver Konkrete elektrische Schnittstellen
bindern) in AutomationML folgt einfachen generischen » Elektrische Schnittstellen sind immer als ExternalInterface
Regeln (siehe Anforderungen b und h), die die Weiterent modelliert.
wicklung vereinfachen und vereinheitlichen.
» Wenn elektrische Schnittstellentypen in einem konkreten
Schnittstellenbibliotheken Komponentenmodell verwendet werden, sollen diese
» Existierende Schnittstellenbibliotheken sollen bestmög durch Instanziierung der jeweils passenden Schnittstel
lich wiederverwendet werden. len-Klassen aus der InterfaceClassLib modelliert werden.
» Neue Schnittstellenbibliotheken sollten für eine eindeu » Die direkte Zuordnung des jeweiligen InternalElements
tige Identifizierung nach der zugrundeliegenden Norm zur Rollenklasse ElectricConnector der Bibliothek Auto
benannt werden, z.B. „IEC61076-2-101“. mationMLComponentStandardRCL identifiziert die
Abbildung 8: Attribute der M12 Basisklasse
5Funktion und stellt auf der Ebene des Steckverbinders
das ExternalInterface bereit.
» Falls ein physischer Steckverbinder aus zusammenge
setzten Steckerverbindern besteht, werden diese ent Abbildung 9: Kabel-Rollenklassen
sprechend geschachtelt modelliert. Die unterste Ebene
sind dabei immer ElectricInterfaces, vorzugsweise Pins
vom Typ PinType.
» Kompatible elektrische Schnittstellen können über die
als CAEX ExternalInterface deklarierte Knoten direkt
miteinander über CAEX InternalLinks verbunden wer
den. Optional können auch die einzelnen Pins direkt
verbunden werden, allerdings sollte die Verbindung des
übergeordneten physischen Steckverbinders meist aus
reichend sein, weil dies auch die Verbindung der unterla
gerten elektrischen Pins impliziert. Diese Vereinfachung
sollte aber standardmäßig nur bei einer identischen An
zahl von Pins auf beiden Seiten und 1:1-Verbindungen
angewendet werden.
Attribute Abbildung 10: SystemUnitClass eines Kabels mit 4 Adern
» Bei der Definition von neuen Attributen sollten existierende
Attributtypen bestmöglich wiederverwendet werden.
» Neue Attributtypen werden als CAEX AttributType in
einer zugehörigen CAEX AttributTypeLibrary modelliert.
» Wenn verfügbar, sollen Attribute und Attributtypen Ver
weise auf existierende semantische Standards (z.B. IEC-
CDD, ECLASS) via RefSemantic erhalten.
Logische Schnittstellenfunktionen
» Neue logische Schnittstellenfunktionen sollen von vor
handenen Schnittstellenfunktionsklassen, sofern ver
fügbar, abgeleitet werden.
» Neue Funktionen sollen in eigenen Rollenklassenbiblio
theken modelliert und direkt oder indirekt von Automa
tionMLBaseRoleClass aus der Standardbibliothek Auto
mationMLBaseRoleClassLib abgeleitet werden, die Teil
der IEC 62714-1 Spezifikationen ist.
» Jede Schnittstellenfunktion und ihre Bedeutung soll do
kumentiert und unter Stakeholdern verfügbar gemacht
werden. Eine Publikation auf der Webseite des Automa Abbildung 11: M12 nach M12 Kabel
tionML Vereins ist empfehlenswert, um sie öffentlich zu
gänglich zu machen.
einzelne Kabel durch Vererbung wiederum seine individuellen
Enden P1 und P2 sowie individuelle Merkmalsausprägungen
Anwendungsbeispiele besitzt, z.B. individuelle Farben. Dieses generische Kabel
M12 nach M12 Kabel lässt sich nun vielfach wiederverwenden und mit konkreten
Um Kabel abzubilden, soll zunächst in Abbildung 10 das elektrischen Schnittstellen ergänzen.
grundsätzliche Modellierungsprinzip dargestellt werden. Abbildung 11 konkretisiert das Modellierungsprinzip und
Ein Kabel besteht aus einzelnen Adern. Das dargestellte zeigt einen Ausschnitt eines konkreten Kabelmodells aus
Klassenmodell modelliert diese mit Hilfe einer SystemUnit einem proprietären Kabelkatalog: ein M12 nach M12 Kabel,
Class für eine einzelne Ader (SingleWire), die zwei Enden P1 das aus einer M12 Buchse, einem M12 Stecker sowie vier Ein
und P2 besitzt. Eine weitere SystemUnitClass 4Wires kombi zeladern zusammengesetzt ist. Die Verschaltung der Adern
niert vier dieser Adern zu einem 4-adrigen Kabel, wobei jedes mit den Pins der Stecker wurde dabei mit CAEX InternalLinks
6explizit modelliert. Dies ermöglicht die Modellierung jeder
Form der Verdrahtung, beispielsweise von Überkreuzver
drahtung. Sogar Kabelbrüche oder Kontaktfehler lassen
sich zu Testzwecken modellieren.
Automatisierungskomponente
Die elektrischen Schnittstellenmodelle lassen sich nun
leicht in bestehende Modelle von Automatisierungskompo
nenten, speziell hier in eine Modellierung gemäß der Auto
mation Component [5], einbetten, womit Anforderung (g)
erfüllt wird. In Abbildung 12 wird unter Verwendung der
M12-Rollen-Klassenbibliothek exemplarisch eine Automa
tisierungskomponente der Fa. Balluff vom Typ „BNI PNT-
507-005-Z040“ (IO-Link-Master-Gateway) mit einer Span
nungsversorgung (7/8 5-polig), zwei Ethernet-Buchsen (M12
D-kodiert 4-polig) und vier IO-Link-Master-Ports (M12 A-
kodiert 5-polig) abgebildet.
Automatisierungstopologie
Darauf aufbauend lässt sich nun eine vernetzte Automati
sierungstopologie modellieren, d.h. ein System verkabelter
Automatisierungskomponenten. Unter Verwendung der
Schnittstellen-Bibliothek können Engineering.-Topologien
in einem voll ECAD-fähigen Modell abgebildet werden. Ab
bildung 12 zeigt dies mit Hilfe eines CAEX Modells einer ein Abbildung 12: CAEX SystemUnitClass einer Automatisierungskomponente
fachen Topologie am Beispiel des IO-Link-Masters, der über mit elektrischen Schnittstellen
ein M12-Kabel mit einem IO-Link-Hub und mit einem weiteren
M12-Kabel mit einem binären Sensor verbunden ist.
Verfügbarkeit
Insgesamt umfassen die entwickelte Schnittstellenbiblio
theken 245 elektrische Schnittstellenklassen für M12, M8,
M5, M7-8, RJ45, einige USB-Derivate und Klemmenstecker.
Diese sind in 6 Schnittstellenbibliotheken getrennt nach den
zugehörigen Standards (falls vorhanden) modelliert, siehe
Abbildung 4.
Darüber hinaus umfasst das Domänenmodell vier Attribute
bibliotheken. Eine Rollen-Bibliothek ConnectorFunctionRCL
für logische Schnittstellenfunktionen erlaubt die getrennte
Modellierung und nachträgliche Änderung der Funktion eines
physischen Steckverbinders.
Die Modellierung der Bibliotheken erfolgte bereits nach dem
aktuellen AutomationML Standard Edition 2 basierend auf
CAEX 3.0. Diese Bibliotheken werden vom AutomationML
Verein frei zur Verfügung gestellt (siehe Anforderung e) und
stehen sowohl auf der AutomationML Website als auch direkt
im freien AutomationML Editor [13] zum Download zur Ver
fügung. Dazu wird im AutomationML Editor im Menü File/
Import/From AutomationML ausgewählt. Dort erscheint
eine Liste abrufbarer Bibliotheken, hier kann die Best Prac
tice Recommendation Modelling of Electric Interfaces aus
gewählt und heruntergeladen werden.
Abbildung 13: CAEX InstanceHierarchy einer Automatisierungstopologie
mit elektrischen Schnittstellen
Zusammenfassung
In diesem Beitrag wird eine Methodik zur Modellierung von
elektrischen Schnittstellen mit AutomationML vorgestellt umgesetzt. Diese Bibliotheken bieten einen herstellerneut
und anhand von 245 elektrischen Schnittstellen erstmals ralen Baukasten in Form standardisierter industrieller Steck
7Abbildung 14: Verfügbarkeit der Bibliotheken im AML Editor
verbinder. Am Beispiel eines Kabels, einer Automatisierungs e.V. und wurde in die dortigen Entwicklungen der Auto
komponente und einer Gerätetopologie wird illustriert, wie mation Component im Whitepaper [5] aufgenommen. Da
mit diesen herstellerneutralen Klassen die Modellierung mit erfüllt sie alle beschriebenen Anforderungen a) - h).
konkreter proprietärer Produkte mit ihren individuellen Mit der hier vorgestellten Methodik wurde ein Modellie
Ausprägungen gelingt. Dieser Beitrag bietet somit bei her rungsbaukasten entwickelt, mit dem sich zügig sowohl
stellerneutraler Methodik einen realen und industriellen weitere herstellerneutrale elektrische Schnittstellen
Praxisbezug und zeigt, dass die Vielfalt wettbewerblicher als auch proprietäre Produkte mit Anwendung dieser
Produkte abbildbar ist. Die daraus hervorgehenden viel Schnittstellen modellieren lassen. Der hier vorgestell
fältigen Anwendungspotentiale werden aufgezeigt. te Ansatz versteht sich als weiterer Schritt auf dem Weg
Im Ergebnis wurde eine umfangreiche Bibliothek elektri zu elektronischen Produkt/Lösungskatalogen und der
scher Schnittstellen entwickelt, die unter [11] zur freien fortschreitenden Digitalisierung von Geschäfts- und Pla
Verfügung steht. Organisatorisch wurden die hier be nungsprozessen in der Industrie und versteht sich als Bei
schriebenen Ansätze nach der Methode der Speed-Stan trag zur Vision der Verwaltungsschale der Industrie 4.0.
dardisierung gemäß [12] innerhalb von 6 Monaten umge Interessierte Anwender sind eingeladen, Kontakt zu den
setzt. Die Entwicklung erfolgte in enger Abstimmung mit der Autoren aufzunehmen und weitere Schnittstellen zu er
Automation-Component-Arbeitsgruppe im AutomationML gänzen.
Referenzen [7] VDI/VDE 3697-2: Recommendation for the technical implementation of
[1] IEC 60603-7: Connectors for electronic equipment - Part 7: Detail specifica- data exchange between engineering systems - Data exchange of process
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with screw-locking. [10] IEC 62714 Ed. 2: Engineering data exchange format for use in industrial
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[6] VDI/VDE 3697-1: Recommendation for the technical implementation of [11] AutomationML Best Practice Recommendations: Modelling of electric
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change of process data in accordance with NE 150 using AutomationML www.automationml.org.
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dardisierung am Beispiel der PLT-Stelle. In: atp edition 1-2/2015, S. 36-46,
Oldenbourg-Verlag 2015.
AUTOREN
Prof. Dr.-Ing Rainer Drath (geb. 1970) lehrt seit 2017 Prof. Dr.-Ing Rainer Drath
Mechatronisches System-Engineering, AutomationML, Hochschule Pforzheim,
Funktionale Sicherheit und Messtechnik an der Tiefenbronner Straße 65
Hochschule Pforzheim. Er studierte von 1990 bis 75175 Pforzheim
1995 an der Technischen Universität Ilmenau rainer.drath@hs-pforzheim.de
Automatisierungstechnik und promovierte von 1996
bis 1999. Anschließend war er für 17 Jahre im ABB
Forschungszentrum als Projektleiter, Gruppenleiter,
Program Manager und Senior Principal Scientist tätig.
Sein Forschungsschwerpunkt ist das interdisziplinäre
System-Engineering sowie Industrie 4.0. Er ist Architekt
von AutomationML und einer der Väter von CAEX.
Markus Rentschler (geb. 1965) hat ein Studium zum Dipl.- Markus Rentschler
Ing.(FH) der Elektrischen Nachrichtentechnik an der FH Balluff GmbH
Konstanz und zum Master of Science in „Digital Systems Schurwaldstr.9
Engineering“ an der Heriot-Watt-University in Edinburgh 73765 Neuhausen
absolviert. Sein beruflicher Werdegang führte ihn seit markus.rentschler@balluff.de
1994 in der Entwicklung eingebetteter Software über ver
schiedene Stationen, Ende 2013 wechselte er zur Balluff
GmbH als Entwicklungsleiter für Networking-Produkte.
Seit 2018 ist er mit seinem Team zuständig für die Stan
dardisierung der Systemschnittstellen der
Balluff-Produktfamilien. Das umfasst die Mitwirkung in
den einschlägigen externen Standardisierungsgremien
als auch die Bereitstellung von entsprechenden vorent
wickelten Software-Modulen für die Produktentwick
lungsabteilungen bei Balluff. Darüber hinaus unterrichtet
er seit 2010 als nebenberuflicher Dozent an der DHBW
Stuttgart das Fach „Software Engineering“.
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