Mitsubishi Electric Europe und der eF@ctory

EFFIZIENTE ZUSTANDSÜBERWACHUNG UND ENTSPRECHENDES
D ATENMANAGEMENT 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.
Wenn 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
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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 PCDatenbanksystemen 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 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 MotionControl-Karten und als Teil einer vielseitig einsetzbaren Automatisierungsplattform
stellt die C-Controller-CPU eine flexible, zuverlässige, problemlos erweiterbare, rackbasierte PC-Lösung dar.
Für die Art der Datenanalyse, wie die Zustandsüberwachung sie verlangt, ist eine PCbasierte 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
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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.
Den 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 EthernetAnschluss, 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 CController-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
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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.
C 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 PCLösungen 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-MemoryProtokoll, 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-TableRaimaDMA021 (de-DE)
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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,
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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-, Alwayson-Datenbanktechnologie sowohl für hauptspeicherresidente als auch für persistente
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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.
Editor Contact
DMA Europa Ltd : Anne-Marie Genth
Tel: +44 (0)1562 751436
Fax: +44 (0)1562 748315
Web: www.dmaeuropa.com
Email: [email protected]
Reader Contact
Raima Inc. : Nigel Rozier, EMEA Sales Manager
Tel: +44 (0)1628 826 800
Fax: +44 (0)1628 825 343
Web: www.raima.com
Email: [email protected]
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