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Funktion


Target CPUs

 

Effiziente Zustandsüberwachung und Datenmanagement für die Industrie

Für den produzierenden Sektor und die Prozessindustrie in aller Welt nimmt der Druck zur Leistungssteigerung in der Produktion und zur Kostensenkung immer weiter zu. Thomas Lantermann, Senior Business Development Manager bei Mitsubishi Electric Europe B.V., Factory Automation – European Business Group und Douglas Wilson von Raima erläutern die Bedeutung der Zustandsüberwachung und skizzieren, was heute schon möglich ist und was noch kommen wird.

Industrielle FertigungWenn Unternehmen angesichts des intensiver werdenden globalen Wettbewerbs nach Möglichkeiten suchen, ihre Kosten zu senken, ihre Produktivität zu steigern und den Gesamtwirkungsgrad ihrer Anlagen auf Weltniveau zu bringen, geht es meist um optimale Nutzung von Investitionsgütern, Abbau von Aus- und Überschuss, Reduzierung des Energieverbrauchs und Maximierung der Laufzeiten.
Besonders im Blickpunkt stehen dabei der Energieverbrauch und die Kosten ungeplanter Betriebsunterbrechungen. Die geltenden europäischen Gesetze zwingen die Unternehmen dazu, ihren Energieverbrauch zu regulieren und Verbrauchsspitzen so weit wie möglich abzubauen. Zudem können die Kosten für jede Stunde außerplanmäßige Betriebsunterbrechung schnell in die Zehntausende gehen. Deshalb ist es enorm wichtig, dass man Probleme vorhersehen und ihnen im Vorfeld während der planmäßigen Wartung begegnen kann.
Ein wirksames Mittel für diese Aufgabe 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 z. B. Schwingungen, Temperatur, Schmierstoffreinheit, Geräuschemission und Stromaufnahme.
Einst sah die Zustandsüberwachung so aus, dass Teams von Wissenschaftlern von Doktorenrang 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

Unabdingbar ist eine derartige Zustandsüberwachung bei wertvollen Investitionsgütern wie Windkraftanlagen, aber neue Verfahren und Technologien bei der Zustandsüberwachung machen es möglich, dass auch kleinere Maschinen kostenwirksam geschützt werden können. So kann praktisch jeder die Wirkungsgrade seiner Anlagen steigern bzw. 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 die neuen Smart Devices sowie die verbesserten Anschlussmöglichkeiten und Feldbus- bzw. ethernet-basierten 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 können diese Datenströme manuell ausgewertet werden, aber auch die herkömmlichen Architekturen der Anlagenautomation 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- bzw. Analysekapazität, um aus den massiven Datenströmen der Zustandsüberwachung brauchbare Ergebnisse zu ziehen.
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 zeitaufwändig 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 C-Controller SPSMitsubishi Electric hat hierauf mit dem C Controller reagiert – einer speziellen C-Language-CPU, die eigenständig arbeitet oder in Standard-SPS-Hardware der MELSEC Q Serie integriert werden kann. Nahtlos integriert mit bewährten E/A der MELSEC Q Serie, Netzwerkmodulen und Motion-Control-Karten und als Teil einer vielseitig einsetzbaren Automatisierungsplattform stellt die C-Controller-CPU eine flexible, zuverlässige, problemlos erweiterbare, rack-basierte PC-Lösung dar.
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.

Beides geht

Der C Controller bietet das Beste aus zwei Welten, indem er Entwicklern, die in C und C++ programmieren, mit der Standard-Hardware der MELSEC Q Serie einen Zugang zur Automatisierung ermöglicht und für eine hohe Systemzuverlässigkeit, stabile Langzeitversorgung und niedrigere Management- und Instandhaltungskosten sorgt. Er ermöglicht fortschrittliche, PC-basierte Steuerung und Regelung bei reduzierten Gesamtbetriebskosten und stabilerem Betrieb mit dem zusätzlichen Vorteil der nahtlosen Integration in die SPS- und die weitere Automatisierungsumgebung.

Mitsubishi C-Controller ChipDen C Controller gibt es in Form dreier mit der iQ-Platform von Mitsubishi Electric kompatiblen CPU-Modulen. Die CPU-Modelle Q12DCCPU und Q24DCCPU haben jeweils zwei bzw. drei Ethernet-Anschlüsse, einen RS232-Port, einen USB-Anschluss, einen CompactFlash-Kartensteckplatz und eine Segmentanzeige für Debug- und Diagnose-Vorgänge. Das dritte Modell namens Q06CCPU bietet einen Ethernet-Anschluss, einen RS232-Port und einen CompactFlash-Kartensteckplatz. Alle CPUs werden mit vorinstalliertem Echtzeitbetriebssystem Wind River VXWorks geliefert. Optionen für die Programmentwicklungsumgebung sind CW Workbench von Mitsubishi Electric und Work Bench von Wind River für die Modelle Q12CCPU und Q24DCCPU bzw. Tornado für Q06CCPU.
CW Workbench ist ein neues Engineering Tool von Mitsubishi Electric, das speziell für den C Controller entwickelt wurde. Es ermöglicht die schnelle, einfache und kostengünstige Entwicklung kompletter Embedded-Systeme und bietet alle hierfür notwendigen Funktionen, inklusive Editor, Compiler und Debugger. Außerdem bietet Mitsubishi Electric ein umfassendes Tool-Set für Einstellung und Überwachung der C-Controller-CPUs an, das eine programmierfreie Parametereinstellung und Diagnose ermöglicht. Hiermit lassen sich die Statusüberwachung der angeschlossenen Module und die Fehlersuche 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 e-F@ctory-Alliance-Partner Raima zusammengearbeitet, um die RDM-Embedded-Datenbanktechnologie von Raima auf dem der C-Controller-CPU lauffähig zu machen.
Das Ergebnis ist eine robuste Datenbankplattform, auf der Daten direkt mit dem Controller gespeichert, verwaltet und abgerufen werden können, ohne auf eine übergeordnete PC-Datenbank zurückgreifen zu müssen. Dies ermöglicht enorme Leistungssteigerungen und erleichtert die Systemintegration. Anwender können nun sowohl aus dem Echtzeit-Betriebssystem Nutzen ziehen wie auch aus der Tatsache, dass die CPU in C programmiert werden kann, um RDM Embedded an die spezifischen Anforderungen ihrer Anwendung anzupassen.

Datenbanktechnologie

Bei RDM Embedded handelt es sich um eine eingebettete, sehr leistungsfähige Datenbank mit geringem Speicherbedarf, die über die vergangenen 25 Jahre hinweg mit Erfolg in Millionen geschäftskritischer Anwendungen und Geräte implementiert wurde. Die kombinierte C-NetDB-Lösung von Mitsubishi Electric und Raima bietet eine Datenbank, die auf schnelle, vorhersagbare und zuverlässige Weise Steuerungsdaten aufnehmen und in Echtzeit auf schnell wechselnde Ereignisse und häufige Datenaktualisierungen reagieren kann. Die Datenbank ist ACID-kompatibel, wodurch die Präzision der aufgenommenen Informationen garantiert wird. Automatische Funktionen zur Datensicherung gewährleisten, dass niemals Daten aufgrund eines Systemausfalls beschädigt werden. RDM Embedded bietet zudem die hohe Verfügbarkeit, auf die moderne Fertigungsprozesse heute angewiesen sind.

Mitsubishi C-Controller KonfigurationC NetDB wird bereits mit vorinstalliertem Betriebssystem geliefert, sodass es nur in den Baugruppenträger der Q-Plattform von Mitsubishi Electric eingesteckt werden muss. Über die Standard-C-Programmierung kann das C NetDB leicht konfiguriert und an die eigenen Anforderungen angepasst werden. Im Vergleich mit traditionellen PC-Lösungen sind der Aufwand für die Wartung und die sonstigen Kosten deutlich geringer. So benötigt die stabile Betriebssystemumgebung beispielsweise keine ständigen Patches und Updates, wie herkömmliche PC-Betriebssysteme. Hierdurch werden auch Probleme vermieden, die durch mangelnde Kompatibilität von geänderten PC-Betriebssystemen auftreten können.

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, die 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 web-basierte Schnittstelle in Form des MicroHTTP-Servers und einen leistungsstarken Replication-Server an, die das System noch flexibler machen. Durch die Replikationsfunktion können beispielsweise Daten aus Raimas RDM-Embedded-Datenbank an Datenspeicher von Drittanbietern übertragen werden (beispielsweise SCADA- oder ERP-Systeme und unternehmenseigene Datenbanken). Derartige Merkmale machen den Zugriff auf die Datenbank auch von entfernten Standorten aus einfach und zugleich extrem leistungsfähig und ermöglichen so die Überwachung und Steuerung komplexer industrieller Anwendungen.

Die Replikationsfunktionalität 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, die für diverse Zeitreihen- und andere Analysen verfügbar gemacht werden können.

Hohe Leistungsfähigkeit

RDM Embedded ist eine leistungsfähige Datenbanklösung, die die Anforderungen moderner Zustandsüberwachungssysteme mit ihren potenziell enormen Strömen an Ereignisdaten ideal erfüllt. Die hochoptimierte Datenbank unterstützt höchste Transaktionsraten und ist auf allen gängigen Echtzeitbetriebssystemen lauffähig.
Über die Echtzeitverarbeitung hinaus verbessert RDM Embedded die Reaktionszeiten durch eine ACID-kompatible Datenbank, die verschiedene Verfahren zur Indexerstellung, u. a. im Hinblick auf die Anwendungs- und Leistungsanforderungen optimierte B-Baum- und auf Hashtabellen beruhende Indizes unterstützt. Hashing bietet bei großen Datenmengen häufig schnelleren Zugriff auf Daten als Verfahren, die mit B-Baum-Indizes arbeiten.
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 können sich anbahnende Lagerschäden erkannt und entsprechende Maßnahmen ergriffen werden.
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.
Wir sehen also, dass RDM Embedded auf dem Mitsubishi Electric C Controller den sicheren Echtzeitdurchsatz von Zustandsüberwachungsdaten bietet, ohne den produzierende Unternehmen heute nicht mehr auskommen. Wenn Datenmanagement, Datenfluss und Datenanalyse robust und automatisiert ablaufen, hat das zahlreiche Vorteile. Frühzeitige Feststellung sich anbahnender Fehler verhindert Ausfälle und ermöglicht längere Laufzeiten bzw. Produktivitätssteigerungen.
Die Fähigkeit, Maschinen und Komponenten zu identifizieren, die aus dem Toleranzbereich auswandern, bedeutet zuverlässig hohe Produktqualität und weniger Ausschuss. Optimierte Wartungsplanung senkt Kosten, ebenso wie die Fähigkeit zur Überwachung und Steuerung des Energieverbrauchs. Verbesserter Einsatz von Investitionsgütern reduziert den Investitionsbedarf für zusätzliche Maschinen, und die Fähigkeit zur Fehlererkennung vor einem endgültigen Komponentenausfall reduziert die Notwendigkeit zur Unterhaltung teurer Ersatzteilbestände.

Zukunft

Die Entwicklung von Technologien zur Zustandsüberwachung und von Analysestrategien geht weiter und ein Ende ist noch lange nicht in Sicht. Wir sehen bereits erste Analysepakete, die Parameter ableiten, die nur schwer direkt zu überwachen sind. Indem man zwei beobachtbare Parameter überwacht, kann man unter Umständen die Werte eines dritten Parameters ableiten und auf dieser ermittelten Grundlage Wartungs- oder Produktionsentscheidungen treffen. Wir können außerdem davon ausgehen, dass sich die mathematischen Modelle verbessern werden und die entsprechende Software die Zustandsüberwachungs- und Ereignisdaten noch besser aufbereiten wird, wodurch sich die Entscheidungssicherheit weiter erhöht.
Mit dem Intelligenzzuwachs der Sensoren und Überwachungsgeräte werden auch Qualität und Menge der Daten zunehmen, einschließlich ganz neuer Datenebenen über Zustand, Produktionseffizienz, Energieverbrauch, Maschinenverfügbarkeit u.v.m. Gleichzeitig fördert das Voranschreiten der Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M) ein neues Modell der ‚Connected Intelligence‘, die effiziente Kommunikation mit kostengünstiger Datenübertragung vereint. Durch M2M -Kommunikation werden Daten zum ultimativen Management-Tool. Hierdurch können Anwender deutlich anspruchsvollere und komplexere Systeme implementieren und betreiben und trotzdem wirksam überwachen, was innerhalb diese Systeme vor sich geht.
Mitsubishi Electric Europe und der e-F@ctory-Alliance-Partner Raima sind in ihrer starken und dauerhaften Partnerschaft Vorreiter dieser Revolution in der Zustandsüberwachung. Durch die jahrzehntelange Erfahrung dieser beiden Marktführer in allen Industriesektoren sind sie in der Lage, nicht nur auf die Anwendernachfrage zu reagieren, sondern aktiv Entwicklungen in Bereichen wie der Zustandsüberwachung voranzutreiben und Endanwendern Werkzeuge anzubieten, die diese zur Leistungssteigerung und Kostensenkung benötigen.

Über Raima

Raima ist ein führender Anbieter von maßgeschneiderter High-Performance-, Always-on-Datenbanktechnologie sowohl für hauptspeicherresidente als auch für persistente Datenbanken. Raima liefert kundenspezifische Datenbanklösungen für die folgenden Anwendungstypen: Mobile, Embedded, Desktop & Server sowie Enterprise Lite. Die Produkte des RDM-System-Portfolios sind plattformübergreifende, genügsame, schnelle und zuverlässige Datenbanklösungen, die für skalierbare und verteilte Architekturen entwickelt wurden. Diese Produkte sind weltweit erfolgreich im Einsatz und in ein umfangreiches Anwendungsspektrum integriert: industrielle Automatisierungssysteme, militärische Flugsicherung, Router und Switches in der Telekommunikation, Finanzhandelssysteme, Medizintechnik, Datensicherungslösungen, Geräte der Unterhaltungselektronik u.v.m.
Raima, RDM, RDM System, RDM Embedded, RDM Mobile, RDM Workgroup und RDM Server sind Markenzeichen, eingetragene Markenzeichen oder Dienstleistungsmarken von Raima, Inc. „®“ kennzeichnet die Eintragung in den Vereinigten Staaten von Amerika. Alle anderen genannten Firmen- und Produktnamen sind ggf. Markenzeichen der entsprechenden Unternehmen