Datenlogger für die Fernüberwachung

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Mobilfunknetz

Unbemannte Überwachungssysteme für den Einsatz in verteilten Infrastrukturen weit voneinander entfernter, isolierter Gebiete waren lange Zeit durch die Grenzen der Langstreckenkommunikation eingeschränkt. Üblicherweise war die Mobilfunk-Kommunikation ein Teil der Lösung. Obwohl sich dieses Kommunikationsmedium als sehr kostengünstig herausstellte, stellten die Begrenzung der verfügbaren Übertragungsgeschwindigkeiten, die langen Übertragungszeiten und die große Wahrscheinlichkeit des Datenverlusts in erweiterten Übertragungsgebieten bisher große Nachteile dar.

Die Einführung fortschrittlicher Mobilfunk-Kommunikationstechnologien hat Systemintegratoren von diesen Nachteilen befreit und neue Potenziale für Fernüberwachungslösungen eröffnet. Bei der Steuerungs- und Überwachungskommunikation über Mobilfunk können Ingenieure eine Fernverwaltungsplattform einsetzen, die einfach und kostengünstig zu installieren ist, Vor-Ort-Besuche zur Konfiguration und Wartung minimiert und sowohl Bandbreiten-intensive Anwendungen, wie die Videoüberwachung, als auch Alarme mit niedriger Bandbreitennutzung zuverlässig abdecken kann.

Herausforderungen und Lösungen

Die technischen Herausforderungen an die dezentrale Messdatenerfassung ergeben sich insbesondere bei den extremen Entfernungen in Anwendungen, wie Pipelines, Pumpen, der Stromversorgung oder Gleisausstattung im Schienenverkehr.

Datenqualität – Schlüsseleigenschaft des Datenloggers:

Ein Datenlogger ist dazu bestimmt, das manuelle Ablesen von Zählern und Geräten zu ersetzen. Auch wenn er eine Maschine ist, muss dennoch die Datenqualität hinsichtlich Integrität, Genauigkeit und Präzision und überprüft werden.

Integrität:

Stromausfälle oder Kommunikationsunterbrechungen können einen Datenverlust hervorrufen. Um dies zu vermeiden, empfiehlt es sich, eine redundante Spannungszufuhr sicherzustellen, die ununterbrochen für Strom sorgt. In der Fernüberwachung kann es gelegentlich zu Unterbrechungen der Kommunikation kommen. Der Datenlogger sollte deshalb die Pufferung der Daten ermöglichen und das erneute Übertragen der Daten erlauben, um deren Integrität sicherzustellen.

Genauigkeit:

Wenn Datenlogger physische Signale erfassen, sind die Datenauflösung und die Abtastrate zwei wichtige Themen. Normalerweise bieten Datenlogger eine Auflösung von 12 bis 24Bits. Höhere Auflösungen sind meist kostenintensiver, können aber – abhängig von der Anwendung – durchaus sinnvoll sein. Die Abtastrate hängt auch von der Anwendung ab. Wenn es sich um ein langsames Signal handelt, wie die Umgebungstemperatur, reicht eine Erfassung der Daten einmal pro Minute aus. Manche Signale ändern sich jedoch schneller als alle 10ms und die Datenlogger müssen entsprechend schnell aufzeichnen.

Präzision:

Manche Ereignisse haben eine bestimmte Relevanz und müssen wiederauffindbar sein. Wie aber lässt sich eine einzelne Sequenz aus tausenden Datensätzen filtern? Abhilfe schafft ein präziser Zeitstempel. Mit dieser Idee im Hinterkopf sollten Datenlogger das Netzwerkzeitprotokoll (Network Time Protocol) unterstützen, um für jede Einheit im Netz über TCP/IP eine Zeitsynchronisierung durchzuführen und präzise Zeitstempel im Millisekunden-Bereich liefern. Die Datenqualität ist schließlich das Fundament aller Datenerfassung – nur mit präzisen Daten lassen sich zielführende Analysen erstellen.

Warum Mobilfunk?

Wenn Mobilfunk-Kommunikation für die Verwaltung von Pipelines eingesetzt wird, konfigurieren Systemintegratoren üblicherweise Remote Terminal Units (RTUs), um Daten in lokalen Speichermedien zu erfassen und dann Wartungspersonal von Standort zu Standort, um die Daten zu sammeln. Da die Daten nicht in Echtzeit übertragen werden, führen Bandbreiten-intensive Anwendungen wie die Videoüberwachung oftmals zu unüberwindbaren Problemen mit der Verwaltung von Ressourcen, während teure Ressourcen für die Sammlung und Analyse der Daten von den entfernt gelegenen Standorten bereit gestellt werden müssen. Folglich sprechen immer mehr Systemarchitekten der Mobilfunk-Kommunikation zu, um eine flexiblere, effiziente Kommunikationsplattform zu erhalten. Das Schöne am Mobilfunk ist die Tatsache, dass er IP-Netzwerke unterstützt, und dass aufgrund der mittlerweile vorherrschenden Mehrheit von IP-fähigen Feldgeräten alle Arten von Felddaten über Mobilfunkverbindungen gesendet werden können. IP-Kommunikation allein reicht jedoch nicht aus, es gilt ebenso, Kriterien wie Bandbreite und Latenz zu bedenken. Da Mobilfunknetzwerke über wesentlich weitere Strecken übertragen, als herkömmliche Funk- oder Mikrowellen-Kommunikationsschnittstellen, ist die notwendige Anzahl an Relais-Knotenpunkten vergleichsweise stark reduziert. Darüber hinaus sind bei der Nutzung bestehender Kommunikationsinfrastrukturen von Mobilfunk-anbietern aufgrund der größeren Bandbreite und besseren Immunität gegen Interferenzen weitaus weniger Relais-Punkte erforderlich, was die Reduzierung der Ausgaben für die Infrastruktur weiter vorantreibt. Mit der kürzlich erfolgten Umstellung von GPRS auf HSPA hat die Mobilfunktechnologie drastische Verbesserungen bei Bandbreite und Netzwerklatenz erfahren. Die maximale Bandbreite für Mobilfunk-Uplinks kann derzeit bis zu 5,76Mbps betragen, und die Downlink-Bandbreite kann bis zu 14,4Mbps gehen. Die Latenz im Mobilfunk wurde darüber hinaus drastisch reduziert, in manchem Netzwerk bis zu 100ms. Alles in allem bedeutet dies, dass die heutige Mobilfunk-Leistung fast alle anderen verfügbaren Langstrecken-Kommunikationstechnologien im Markt schlägt.

Dynamische versus statische IPs

Um bidirektionale Kommunikation zu erstellen (sodass der zentrale Standort die Datenlogger direkt abfragen kann und umgekehrt), ist es das Beste, wenn sowohl den Mobilfunkmodems an den entfernten Standorten als auch dem Scada-Server statische, öffentliche IPs zugewiesen werden. Da Mobilfunkanbieter für statische IPs jedoch höhere Gebühren verlangen als für dynamische, kann diese Aufstellung schnell sehr teuer werden. Durch den Einsatz der richtigen OPC-Software ist es jedoch möglich, ein Gerät am entfernten Standort so zu konfigurieren, dass es sich selbst an einem zentralen Scada-Server anmeldet, der eine feste IP-Adresse nutzt. Dadurch empfängt und registriert der Scada-Server die IP-Adresse des Geräts und ist in der Lage, Tag-Updates entsprechend zu liefern oder zu speichern. Diese Umsetzung ist ein einfaches und kostengünstiges Mittel zur Verwaltung entfernter Geräte über Mobilfunk. Zusätzlich zur Geräteregistrierung per OPC-Server ist es auch möglich, dynamische DNS-Registrierung einzusetzen, bei der das entfernte Gerät seine dynamische oder private IP-Adressen in einen DNS-Hostnamen konvertiert (das heißt, in eine URL). Auf diesem Weg benötigt die zentrale Software nur eine Datenbank mit URLs, um an ein entferntes HSPA-Gerät zu verbinden.

Aktive Datenübertragung optimiert Bandbreitennutzung

Sobald sich ein Anwender für Mobilfunk-Kommunikation entscheidet, folgt die höchst kritische Frage nach den Kosten. In traditionellen, automatisierungszentrierten Umgebungen nutzen die Betreiber Geräte wie SPSen, um Daten zu erfassen. Da diese Teil einer lokalen, verkabelten Infrastruktur sind, stellt sich die Frage nach der Bandbreite kaum. Für die Fernstreckenkommunikation über Mobilfunk sind die Kosten dagegen ein wichtiges Thema, und Polling-Architekturen sind dementsprechend ungeeignet für Mobilfunknetzwerke. Die aktive Push-Kommunikation dagegen reduziert die Gemeinkosten für die Installation eines Mobilfunknetzwerks deutlich. Dank Push-Technologie erübrigt sich das Polling von Geräten. Stattdessen senden die Geräte am entfernten Standort aus eigenem Antrieb Daten an den zentralen Server in der Leitstelle. Dadurch werden nur dann Daten erfasst, wenn auch ein Ereignis am Standort stattfindet, worauf diese dann an die Datenbank des Steuerungssystems gesendet werden, wo der Betreiber Reports erstellen kann. Mit dem aktiven Berichtswesen warten der zentrale Server oder das Scada auf eingehende Daten, anstatt die Feldgeräte permanent abzufragen. Dadurch reduziert das aktive Reporting nicht nur die Bandbreitennutzung, sondern ermöglicht auch Alarme in Echtzeit. Fast genauso wichtig ist, dass mit aktivem Reporting Kommunikations-Timeouts komplett verhindert werden, weil die Kommunikationsbandbreite dynamisch an die Timeout-Toleranz des Netzwerks angepasst werden kann. Kommunikations-Timeouts in Mobilfunk-Netzwerken können schnell zum kostspieligen Problem werden. Sowohl Ethernet-, als auch Feldgeräte nutzen Polling um Daten zu erfassen. Ein Gerät, dessen Wert für den Kommunikations-Timeout auf LAN-Geschwindigkeit eingestellt ist, wird beim Einsatz in Mobilfunk-Netzwerken Timeout-Probleme bekommen. Wiederholte Kommunikations-Timeouts führen zum Systemabsturz und erzeugen zusätzliche Kosten für die wiederholte Neuverbindung. Eine aktive Push-Architektur löst dieses Problem.

Aktive Berichte reduzieren Wartungskosten

Herkömmliche Polling-Systeme erfordern meist multiple Datenerfassungsebenen. Eine solche Multi-Ebenen-Architektur verteilt die Systemlast und verkürzt den Polling-Zyklus. Das System ist jedoch nicht nur kompliziert zu konstruieren, sondern auch schwierig zu verwalten und zu warten. In großen Systemen erfordert ein Problem an einem Knotenpunkt auf mittlerer Ebene viel Zeit für seine Lokalisierung und Behebung. Außerdem wurden große Multi-Ebenen-Systeme oft von verschiedenen Systemintegratoren aneinander gekoppelt, von denen jeder andere Geräte und Protokolle verwendet hat. Die Protokoll-Vereinheitlichung allein kann in so einem Fall schon das gesamte System stilllegen. Die Entwicklung von Datenerfassungs- und Alarmsystemen über Mobilfunk, welche die aktive Berichterstattung einsetzen, hat es ermöglicht, fast alle mittleren Datenerfassungsebenen abschaffen zu können. Da Mobilfunk-Netzwerke IP-basiert sind, haben sie von Natur aus keine Grenzen im Vergleich zur Funk- oder Mikrowellenkommunikation, und die benötige Anzahl von Relais-Knotenpunkten ist reduziert. Da das System die Kommunikations-Infrastruktur des Mobilfunkanbieters nutzt, sind auch die Kosten für die Infrastruktur erheblich niedriger. Zusätzlich dazu ist die Netzwerkbandbreite erheblich größer als die von RF, und weniger anfällig für Interferenzen, was wiederum in weniger Relais-Punkten für die Datenerfassung resultiert.

Effiziente Programmierung für Fernüberwachung

Für komplexe Algorithmen bietet nichts größere Flexibilität als eine effektive Programmierplattform. Die Programmierplattform wird für Anwendungen eingesetzt, die ein Höchstmaß an Vielseitigkeit für die Programmierung erfordern, so wie kundenspezifische Protokolle, komplexe Berechnungen und die Datenerfassung. Programmierbare Mobilfunk-RTUs, die C/C++- oder IEC- 61131-3-konforme Programmierung unterstützen (einschließlich Linux) können effizient an eine große Bandbreite von Kundenbedürfnissen angepasst werden. Die Programmierumgebung hilft dem Anwender dabei, wirtschaftliche Installations- und Konfigurationszeiten zu erzielen, indem der Programmieraufwand für Schlüsselbereiche, wie E/A-Steuerung, Alarme und Steuerung der Netzwerk-Kommunikation (einschließlich Mobilfunkverbindungen, SMS und Interoperabilität mit bestehenden Scada/DB-Systemen) reduziert wird. Verglichen mit anderen Programmierplattformen bieten Linux und IEC-61131-3-konforme RTUs maximale Coding-Flexibilität, und wenn sie mit fertigen Software Development Kits eingesetzt werden, gestaltet sich die Einrichtung von E/A-Steuerung und Alarmen schneller und einfacher als je zuvor.

Effiziente Datenbank-Uploads bieten Datenbeständigkeit

Das Einrichten von Echtzeit-Kommunikation in einer fernverwalteten Umgebung mit unzuverlässigen Kommunikationsstrukturen ist wichtig, da Betreiber auf Basis von Echtzeit-Informationen Entscheidungen treffen müssen, die den Einsatz von Ressourcen beeinflussen. Früher wurden Datenlogger eingesetzt, um Ereignis-Informationen zu speichern (für SPSen wird z.B. der gesamte Datensatz eines bestimmten Zeitraums per Polling abgefragt und gespeichert). Die gespeicherten Informationen wurden dann manuell bei Besuchen am Standort ausgelesen. Dieser höchst ineffiziente Ansatz für die Fernverwaltung kann u.a. zu Überlappungen in der Datenabfrage führen und auch dazu, dass ein Anwender zahlreiche Ebenen durchforsten muss. Durch die Kombination von Mobilfunk-Kommunikation mit Ereignis-basierter Datenerfassung erhalten Anwender direkten Echtzeit-Zugriff auf alle Daten entfernter Standorte. Aus diesem Grund sind Optimierungen der Datenbank auch ein wichtiger Teil effektiver Datenerfassungssysteme. Ein optimiertes Datenbankverwaltungssystem für OPC-Lösungen vereinfacht nicht nur die Echtzeit-Datenerfassung, sondern automatisiert auch die Konvertierung historischer Daten in verschiedene Formate und in von Menschen lesbare Form, es fungiert als Brücke zwischen Felddaten und gespeicherten Datenbanken oder Tabellen-Arbeitsblättern. Wenn ein aktiver Remote-Client Daten-Logs konvertiert und an die zentrale Datenbank sendet, trägt ein optimiertes Datenbankverwaltungssystem Tags von den einzelnen RTUs und weiteren entfernten E/A-Geräten automatisch in einem Arbeitsblatt oder einer Datenbank zusammen und ermöglicht es dem Anwender, Daten nicht nur im Rohformat auszulesen, sondern auch gleich fertige Berichte zu erhalten. Letztendlich überträgt eine RTU mithilfe von Push-Kommunikation, aktivem Tagging und den richtigen Datenbank-Optimierungen automatisch auch solche Daten, die erfasst wurden, während das Netzwerk offline war.

Mobilfunktechnologie für fortschrittliche Fernüberwachungssysteme

Mit der Einführung der Mobilfunk-Kommunikation verändern sich die Fernüberwachungssysteme. Einfach ausgedrückt, können die Fernüberwachungssysteme dank der IP-Technologie nun viel mehr als vorher, und das bei geringerer Komplexität aufgrund der Abschaffung von Datenerfassungs-Ebenen, was sich in niedrigeren Verwaltungs- und Wartungskosten äußert. Beim Einsatz von Moxas neuen Mobilfunk-RTUs mit C/C++- und IEC- 61131-3-Programmierunterstützung, maßgeschneiderten Software Development Kits, der Datenbank-Software DA-Center und Active OPC Server ist es möglich, kosteneffiziente Echtzeit-Fernüberwachungssysteme mit sicherer Datenintegrität schnell und effektiv zu installieren.