Den Daten auf der Spur

Tom Magruder

Datenprotokollierung besteht in seiner einfachsten Form im Erfassen und Abspeichern verschiedener Parameter im Zeitverlauf. Bei diesen Parametern handelt es sich in der Regel um physikalische Größen wie Temperatur, Druck oder Fließgeschwindigkeit. Jede Datenprotokollierungsanwendung besteht zumindest aus Datenerfassung und -aufzeichnung. Je nach Anwendung stehen ferner folgende Elemente zur Verfügung: Online- und Offline-Analyse, Anzeige, gleichzeitige Nutzung der Daten durch mehrere Anwender sowie Berichterstellung.

Zu Beginn der Datenprotokollierung steht die Datenerfassung, die in der Umwandlung relevanter Messwerte von Sensoren in digitale Werte für die anschließende Speicherung und Analyse besteht. Die Hardware für die Datenprotokollierung beinhaltet u. a. Signalkonditionierungsgeräte und A/D-Wandler. Die Signalkonditionierung umfasst eine Reihe von Funktionen wie z. B. Sensorerregung, Signalfilterung, -verstärkung und -isolierung sowie Kaltstellenkompensation. Die Art der erforderlichen Signalkonditionierung richtet sich nach der Art des Sensors. Die A/D-Wandlung macht aus analogen elektrischen Signalen digitale Werte und gibt diese Werte dann an den Computer weiter.

Online-Analyse, ein weiterer Hauptbestandteil einer Datenprotokollierungsanwendung, ist für Datenskalierung, Alarm-Management und andere Arten von Signalverarbeitung während der Datenerfassung zuständig. Datenskalierung steht für die Umwandlung der gemessenen, noch nicht verarbeiteten Spannungssignale in skalierte Werte mit physikalischen Einheiten. Alarm-Management beschreibt sowohl die Überwachung eines Kanals hinsichtlich der Einhaltung der Toleranzgrenzen für bestimmte Parameter als auch die entsprechende Reaktion bei Überschreitung. Eine solche Reaktion besteht oft im Öffnen oder Schließen eines Ventils, dem Aufleuchten eines Kontrolllämpchens, dem Aufruf von Softwareprozeduren oder der Benachrichtigung per E-Mail oder Pager. Online-Analyse schließt auch Berechnungen mit auf einem oder mehreren Kanälen erfassten Daten ein, z. B. die Berechnung von Leistung aus gemessenen Spannungs- und Stromstärkewerten.

Eine andere wichtige Komponente eines Datenprotokollierungssystems ist die Datenspeicherung. Zumeist erfolgt die Datenspeicherung in Form von Text-, Binär- oder Datenbankdateien. Am einfachsten zwischen verschiedenen Softwareanwendungen auszutauschen sind Textdateien, jedoch ist bei ihnen der Speicherplatzverbrauch am größten. Die Speicherung in Binärdateien ist zwar am effizientesten, dafür aber ist der Datenaustausch zwischen verschiedenen Anwendungen komplizierter. Schlüsselfertige Datenprotokollierungsanwendungen speichern Daten meist in Datenbankdateien. Datenbanken eignen sich in vielen Fällen ideal für Datenprotokollierungsanwendungen, da sie Speicherplatz sparen und man im Normalfall Daten exportieren und zwischen verschiedenen Anwendungen austauschen kann.

Bei der Offline-Analyse werden mathematische Funktionen ausgeführt, um wichtige Informationen aus den zuvor erfassten Daten zu extrahieren. Offline-Analyse kann sowohl grundlegende statistische Berechnungen mit den erfassten Messdaten beinhalten, als auch die Ausführung anspruchsvollerer Funktionen wie Frequenzanalyse von Signalen und Ordnungsanalyse.

Zu den wichtigen Komponenten eines Datenprotokollierungssystems gehören überdies die Darstellung, die gemeinsame Nutzung und die Veröffentlichung von Daten sowie die Berichterstellung. Fast jede Datenprotokollierungsanwendung erlaubt sowohl die Datenausgabe in Echtzeit, wodurch sich die Messdaten schon während der Erfassung betrachten lassen, als auch die historische Aufzeichnung zum Einsehen bereits vorher abgespeicherter Daten. Hauptanforderungen an die Ausgabe sind z. B. eine intuitiv bedienbare Benutzeroberfläche, Werkzeuge zum Zoomen und Verschieben sowie Funktionen zum Verwalten der Kanäle. Gemeinsame Nutzung und Veröffentlichung von Daten bezeichnen das Senden von Daten an weitere Personen und ihre Veröffentlichung in einem Netzwerk. Gewöhnlich beinhalten Datenprotokollierungsanwendungen auch eine mehr oder weniger umfassende Berichterstellung, die aber oft als eigenständige Applikation betrachtet werden kann. Durch die Integration der Berichterstellung in eine Datenprotokollierungsanwendung kann der gesamte Vorgang automatisiert werden.

Dank der von National Instruments speziell für Datenprotokollierungsapplikationen entwickelten Software VI Logger, gestaltet sich das Erfassen, Protokollieren, Betrachten und Austauschen von Daten problemlos; man bedient sich dabei der Leistungsfähigkeit und Flexibilität heutiger PCs. VI Logger bedarf keiner Programmierung – es handelt sich um eine konfigurationsgestützte Stand-alone-Software.

VI Logger ist zwar intuitiv und leicht bedienbar, jedoch nicht auf Kosten der Leistungsfähigkeit. Er funktioniert mit einer Vielzahl von NI-Datenerfassungskarten, wodurch Signale hoher wie niedriger Geschwindigkeit protokolliert werden können. Außerdem wird er mit einem einfach zu bedienenden Betrachter für Echtzeit- und historische Daten ausgeliefert.

VI Logger eignet sich für mannigfaltige Datenprotokollierungsanwendungen, vom einkanaligen Temperaturerfassungssystem für die Produktanalyse bis hin zum Maschinenüberwachungssystem mit hoher Kanalzahl für die Überwachung von Steuerungen mittels diverser NI-Messhardware.

Ein Beispiel größerer Komplexität ist die stark verteilte, netzwerkgestützte Datenprotokollierung bei der Überwachung der Leistungsfähigkeit eines Stromnetzes. Durch die großflächige Überwachung und Analyse des Stromnetzes können die Stromanbieter erkennen, wie Störungen in einem Gebiet die Stromversorgung in einem anderen Gebiet beeinträchtigen und so geeignete Schritte zur Minimierung dieser Störungen zu unternehmen. Das Datenprotokollierungssystem verfügt über verteilte intelligente Messknoten für die Datenerfassung und Online-Analyse. Diese Knoten veröffentlichen die Messdaten im Netzwerk, ein zentraler Server sammelt all diese Messdaten.

Die Anforderungen an einen solchen Knoten umfassen Datenerfassung mit Hochspannungsisolation, simultane Datenerfassung sowie Filterung auf ca. 20 Kanälen. Das Datenprotokollierungssystem tastet jeden Kanal mit einer ausreichend hohen Frequenz ab, so dass keine Störung im Stromnetz unbemerkt bleibt. Um Messdaten aus einem großen Gebiet genau erfassen und vergleichen zu können, müssen diese vom jeweiligen Messknoten erfassten Daten mit einem Zeitstempel versehen werden.

Jeder Messknoten erfasst, verarbeitet und protokolliert ununterbrochen Messdaten über den Zustand des Stromnetzes. Er veröffentlicht dabei aber nur die verarbeiteten Messdaten im Netzwerk, was die erforderliche Bandbreite des Netzwerks erheblich reduziert. Der zentrale Server holt sich die Messdaten von sämtlichen Knoten, verknüpft sie für die weitere Analyse miteinander, und speichert die Ergebnisse im Archiv ab.

Diese hoch komplexe Datenprotokollierungsanwendung wird mit Hilfe des ganzen Spektrums von NI-Produkten implementiert. Für die Signalerfassung in den einzelnen Messknoten wird jeweils ein kombiniertes PXI/SCXI-Chassis in Verbindung mit geeigneten Datenerfassungs- und Signalkonditionierungsmodulen verwendet. Jeder Knoten bedient sich zur anschließenden Durchführung von Datenanalyse und -veröffentlichung der in LabView enthaltenen Signalverarbeitungs- und Netzwerkfunktionen. Auch der zentrale Server profitiert von den hoch entwickelten Datenprotokollierungs-, Signalanalyse-, Netzwerk- und Berichterstellungsfunktionen, um die LabView erweitert werden kann.

Halle 16, Stand C22

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