Datenmanagement für die Industrie Überwachte Zustände

Wenn es darum geht, Kosten zu senken, stehen Betriebsunterbrechungen schnell im Fokus. Um diesen entgegenzutreten, ist die Zustandsüberwachung industrieller Anlagen ein probates Mittel, wobei es besonders darauf ankommt, die erfassten Daten sinnvoll auszuwerten und die richtigen Schlüsse aus ihnen zu ziehen.

Die geltenden europäischen Gesetze zwingen die Unternehmen dazu, ihren Energieverbrauch zu regulieren und Verbrauchsspitzen so weit wie möglich abzubauen. Darüber hinaus können die Kosten für jede Stunde außerplanmäßige Betriebsunterbrechung schnell in die Zehntausende Euro gehen. Deshalb ist es enorm wichtig, dass man Probleme vorhersehen und ihnen im Vorfeld während der planmäßigen Wartung begegnen kann. Ein wirksames Mittel dafür ist die Zustandsüberwachung. Hierbei werden Schlüsselparameter, die den Zustand und den Betrieb der Anlagen und Maschinen anzeigen, kontinuierlich beobachtet, beispielsweise im Hinblick auf ausgeprägte Veränderungen, die auf einen sich anbahnenden Fehler hindeuten. Parameter, die typischerweise überwacht werden, sind Schwingungen, Temperatur, Schmierstoffreinheit, Geräuschemission und Stromaufnahme.

Einst sah die Zustandsüberwachung so aus, dass Teams von Wissenschaftlern mit Promotion in gewissen Zeitabständen über Diagrammen und Kurven brüteten und Ausschläge analysierten, die unter Umständen ein sich anbahnendes Ungleichgewicht in der Maschine anzeigen konnten. Das war ein teurer Prozess, der nur bei den hochwertigsten Investitionsgütern und teuersten Produktionslinien zu rechtfertigen war. In den vergangenen Jahren hat sich das Bild jedoch gewandelt. Inzwischen gibt es zahlreiche Standardsensoren, die einfache Hinweise liefern, wenn eine Anlage Gefahr läuft, den Toleranzbereich zu verlassen.

Erweiterter Anwendungsbereich

Somit kann praktisch jeder die Wirkungsgrade seiner Anlagen steigern beziehungsweise Energieverbrauch und Ausfallzeiten reduzieren. Alle Pumpen, Lüfter, Elektromotoren, Zentrifugen, Turbinen und Schwingsiebe können ihren eigenen Überwachungskanal bekommen und zu einem effektiven und bezahlbaren Zustandsüberwachungssystem zusammengefasst werden. Die Hauptfaktoren für die vermehrte Anwendung von Verfahren zur Zustandsüberwachung sind neue »Smart Devices« sowie verbesserte Anschlussmöglichkeiten und Feldbus- beziehungsweise Ethernet-basierte Netzwerke in allen Industriesektoren. Wichtig ist nun die Überlegung, wie die enormen, von den zahlreichen Zustandsüberwachungsgeräten erzeugen Datenmengen gespeichert, organisiert, analysiert und in Output umgesetzt werden sollen.

Auf keinen Fall lassen sich diese Datenströme manuell auswerten, aber auch die herkömmlichen Architekturen der Anlagenautomatisierung sind dieser Aufgabe kaum noch gewachsen. Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) eignen sich zwar ideal für sequenzielle Steueraufgaben und ein gewisses Maß an analoger Verarbeitung, aber es fehlt ihnen an der nötigen Datenverarbeitungs- und Analysekapazität, um aus den massiven Datenströmen der Zustandsüberwachung brauchbare Ergebnisse zu erzeugen.

Außerdem ist die Weitergabe der enormen Datenströme von der Anlagenebene an übergeordnete Datenbanken häufig problematisch: Bei herkömmlichen PC-Datenbanksystemen kann die Integration in die Steuerungen auf Produktionsebene kompliziert, teuer und zeitaufwendig sein, noch dazu bei begrenztem Tempo und Volumen bei der Datenübertragung. Obendrein ist nach erfolgreicher Datenanalyse die Rückgabe entsprechender Korrekturinformationen an die Automatisierung ein schwer zu optimierender Prozess.

Hier ist ein ganz neuer Ansatz gefragt, und der muss bereits bei der Automatisierungsarchitektur beginnen. Mitsubishi Electric hat hierauf mit dem »C Controller« (Bild 1) reagiert, einer speziellen C-program- 
mierbaren CPU, die eigenständig arbeitet oder in Standard-SPS-Hardware der Serie »MELSEC Q« des Herstellers integriert werden kann. Nahtlos integriert in Netzwerkmodulen und Motion-Control-Karten und als Teil einer Automatisierungsplattform stellt die C-Controller-CPU eine erweiterbare, Rack-basierte PC-Lösung dar.

SPS- oder Hochsprache? Beides!

Für die Art der Datenanalyse, wie die Zustandsüberwachung sie verlangt, ist eine PC-basierte Herangehensweise grundsätzlich besser geeignet als ein SPS-Konzept. Außerdem entwickeln viele Systementwickler komplexe Datenanalyseprogramme lieber in C oder C++ als in SPS-Sprachen. Daher bietet der C-Controller das Beste zweier Welten, indem er Entwicklern, die in C und C++ programmieren, mit der Standard-Hardware der MELSEC-Q-Serie einen Zugang zur Automatisierung ermöglicht. Sie erlaubt die PC-basierte Steuerung und Regelung bei vergleichsweise niedrigen Gesamtbetriebskosten und stabilerem Betrieb mit dem zusätzlichen Vorteil der nahtlosen Integration in die SPS- und die weitere Automatisierungsumgebung.

Den C-Controller gibt es in Form dreier mit der »iQ«-Platform von Mitsubishi Electric kompatiblen CPU-Modulen. Die Modelle »Q12DCCPU« und »Q24DCCPU« haben zwei beziehungsweise drei Ethernet-Anschlüsse, einen RS-232-Port, einen USB-Anschluss, einen CompactFlash-Kartensteckplatz und eine Segmentanzeige für Debug- und Diagnosevorgänge. Das dritte Modell namens »Q06CCPU« bietet einen Ethernet-Anschluss, einen RS-232-Port und einen CompactFlash-Kartensteckplatz. Alle CPUs werden mit dem vorinstalliertem Echtzeitbetriebssystem »VxWorks« von Wind River geliefert. Optionen für die Programmentwicklungsumgebung sind »CW Workbench« von Mitsubishi Electric und »Work Bench« von Wind River für die Modelle Q12CCPU und Q24DCCPU beziehungsweise »Tornado« für Q06CCPU.

Bei CW Workbench handelt es sich um ein Engineering-Tool von Mitsubishi Electric, das speziell für den C-Controller entwickelt wurde. Damit lassen sich komplette Embedded Systeme entwickeln, denn es bietet die notwendigen Funktionen inklusive Editor, Compiler und Debugger. Außerdem bietet der Hersteller ein Toolset für Einstellung und Überwachung der CPUs an, das eine programmierfreie Parametereinstellung und Diagnose ermöglicht. Hiermit lassen sich die Statusüberwachung der angeschlossenen Module und die Fehlersuche recht leicht durchführen.

In einem nächsten Schritt und im Hinblick auf die Erfassung, Speicherung, Verwaltung und Analyse großer Datenmengen aus der Zustandsüberwachung hat Mitsubishi Electric mit dem Partner Raima zusammengearbeitet, um die Embedded-Datenbanktechnik »RDM« von Raima auf dem C-Controller lauffähig zu machen. Das Ergebnis ist eine Datenbankplattform, auf der Daten direkt mit dem Controller gespeichert, verwaltet und abgerufen werden können, ohne auf eine übergeordnete PC-Datenbank zurückgreifen zu müssen.

Wie funktioniert die Datenbank?

Die kombinierte Lösung »C NetDB« von Mitsubishi Electric und Raima bietet eine Datenbank, die auf vorhersagbare Weise Steuerungsdaten aufnehmen und in Echtzeit auf schnell wechselnde Ereignisse und häufige Datenaktualisierungen reagieren kann. Die Datenbank ist ACID-kompatibel, was die Präzision der aufgenommenen Informationen garantieren soll. Automatische Funktionen zur Datensicherung gewährleisten, dass niemals Daten aufgrund eines Systemausfalls beschädigt werden. »RDM Embedded« bietet zudem die Verfügbarkeit, auf die moderne Fertigungsprozesse angewiesen sind.

C-NetDB wird bereits mit vorinstalliertem Betriebssystem geliefert, sodass es nur in den Baugruppenträger von Mitsubishi Electric eingesteckt werden muss. Über die Standard-C-Programmierung lässt sich das System konfigurieren und an die eigenen Anforderungen anpassen. Zu den Schlüsselmerkmalen zählt die Möglichkeit, eine Einzelabfrage an mehrere Ziele zu richten, wobei »Circular Tables« per SQL abgefragt werden. Darüber hinaus bietet RDM Embedded Eigenschaften wie Datenbank-Cursor, Shared-Memory-Protokoll, multiple Datentypen, Bulk-Insert-API, »Dirty Read«-Isolationsebene, verbesserte Verschlüsselung sowie selektive Replikation und Meldung.

Neben den Standard-Datentypen wie Integer, Zeichen, Mehrbytezeichen und Binär unterstützt RDM Datentypen wie Datum/Uhrzeit/Zeitstempel, BCD-Code und GUID. Datum/Uhrzeit/Zeitstempel ermöglichen natürliche zeitbasierte Protokollierung und Manipulation. BCD ist eine Standard-Datenbankdarstellung, welche die Anforderungen von Anwendungen erfüllt, die für alle Dezimalstellen exakte Werte verlangen. Der GUID-Datentyp ist eine nach dem 128-Bit-Algorithmus generierte eindeutige Zahl mit deutlich zuverlässigerer Eindeutigkeit als sie mit einem Sequenzgenerator zu erreichen wäre.

Raima bietet optional eine webbasierte Schnittstelle in Form des MicroHTTP-Servers und einen recht leistungsstarken Replication-Server an, die das System noch flexibler machen. Die Replikationsfunktion kann beispielsweise Daten aus Raimas RDM-Embedded-Datenbank an Datenspeicher von Drittanbietern übertragen (beispielsweise SCADA- oder ERP-Systeme sowie unternehmenseigene Datenbanken). Derartige Merkmale sollen den Zugriff auf die Datenbank auch von entfernten Standorten aus einfach machen und so die Überwachung und Steuerung komplexer industrieller Anwendungen ermöglichen.

Die Replikationsfunktion des RDM schließt die Replikation auf Drittanbietersysteme ein und unterstützt die selektive Replikation von Circular-Table-Daten von mehreren Mastern auf einen Slave – wichtig für Geräte an der Peripherie des Netzwerks, wo die Zustandsüberwachung stattfindet. Die in den Circular-Tables der einzelnen Master gespeicherten Daten werden auf ein zentrales Steuersystem repliziert, das eine permanente Historie sämtlicher Gerätedaten schreibt.

Eine Schwingungsüberwachung kann beispielsweise bei rotierenden Maschinen frühzeitig auf sich entwickelnde Fehler hinweisen. Mithilfe von Beschleunigungssensoren können an den Lagergehäusen von Maschinen Schwingungsmessungen vorgenommen werden, während andere Aufnehmer den radialen und axialen Versatz rotierender Wellen messen können. Durch Vergleich der Schwingungsintensitäten mit historischen Ausgangswerten kündigen sich sich anbahnende Lagerschäden früh an, was entsprechende Maßnahmen ermöglicht.

Drehzahlregelungen bieten heute Diagnosemöglichkeiten wie Warnungen aufgrund von Stromaufnahmewerten, die auf ein Nachlassen der Motorleistung hindeuten können oder auf Probleme bei den mit der Motorwelle verbundenen Komponenten. Gleichzeitig kann die neueste Gerätegeneration zur Überwachung des Energieverbrauchs detaillierte Daten über den Energieverbrauch von einer einzelnen Schlüsselkomponente bis hin zur ganzen Maschine liefern. Temperatursensoren und festinstallierte Wärmebildkameras können wertvolle Hinweise auf den Energieverbrauch und drohenden Komponentenausfall geben. In Industriesektoren, in denen es auf effektive Schmierung ankommt, können die neuesten Leitfähigkeitssensoren zuverlässig Wasseranteile im Öl entdecken, schon lange bevor diese ein problematisches Ausmaß annehmen.

Über die Autoren:

Thomas Lantermann ist Senior Business Development Manager bei Mitsubishi Electric Europe und Douglas Wilson ist Field Application Engineer bei Raima.