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Die Erfindung betrifft eine Datenverarbeitungsvorrichtung, eine Anordnung, ein Verfahren zum Übermitteln einer Information hinsichtlich eines Dateninhalts einer zeitlichen Abfolge von Nutzdaten, ein computerlesbares Speichermedium und ein Programm-Element.
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In einer Welt, die immer vernetzter, digitaler, mobiler und intelligenter wird, wurde über das Schlagwort Industrie 4.0 eine intensive Diskussion über die Zukunft der Produktion ausgelöst. Den Kern von Industrie 4.0-Lösungen bildet ein auch Smart Factory genanntes Kommunikationssystem, d.h. ein großes Netzwerk mit vielen Teilnehmern bzw. Knoten, die miteinander kommunizieren können. Dabei sollen selbstorganisierende, cyber-physische Systeme entstehen. Eine Herausforderung in diesen komplexen Systemen ist die Verbindung zwischen Informations- und Softwaretechnologien mit elektronischen und mechanischen Komponenten. Diese tauschen zur Kommunikation miteinander hohe Datenmengen aus.
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Das Internet der Dinge mit den selbstorganisierenden, cyber-physischen Systemen besteht bisher größtenteils aus Visionen. Um diese umsetzen zu können, sind viele Voraussetzungen zu beachten. Eine der elementarsten Voraussetzungen dafür ist jedoch die Bandbreite. Zwischen der Übertragungsrate und der Bandbreite besteht ein enger Zusammenhang, denn die Übertragungsgeschwindigkeit hängt nicht nur von der Codierung, sondern auch von der Bandbreite ab.
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Eine Herausforderung besteht nicht nur darin, mit zunehmend steigenden Datenvolumina Schritt zu halten. Auch das Volumen der zu übertragenden Daten schwankt zunehmend. Auf Daten-Peaks folgen ruhigere Phasen, die gleichermaßen abgedeckt werden müssen, da sich der Bedarf in diesem Umfeld sehr dynamisch entwickeln kann. Verantwortlich dafür sind sowohl On-Demand-Dienste als auch bandbreitenintensive Datenströme innerhalb von Netzwerken von Cloud-Dienstanbietern. Diese sind auf effiziente Datenübertragung angewiesen, damit Maschinen untereinander und mit Menschen kommunizieren können. Zur Verbesserung der Datenübertragung werden dabei folgende Möglichkeiten genutzt: eine Erhöhung der Bandbreite und eine Komprimierung von Daten.
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Auch durch die starke Zunahme von Sensorik wird eine immer größere Bandbreite benötigt. Gleichzeitig ist jedoch die Infrastruktur für die Datenübertragung im Industrieumfeld meist bereits vorhanden bzw. gegeben und kann nicht einfach frei erweitert werden. Die verfügbare Bandbreite ist daher häufig deutlich geringer als benötigt. Doch für Industrieunternehmen ist es technisch schwierig, die bestehende Infrastruktur mit geringen Bandbreiten einfach gegen höhere Bandbreiten auszutauschen. Diese Ausgangssituation hemmt die Entwicklung in Richtung zukunftsweisender Systeme. Dieser Negativeffekt wird durch den weit verbreiteten Ansatz der verlustfreien Komprimierung in der Datenübertragung verstärkt. Denn hierbei sollen möglichst große Datenmengen vollständig übertragen werden. Dass die verfügbaren Bandbreiten dies nicht zulassen, wird dabei oft vernachlässigt. Dies führt zu Problemen in der Datenübertragung, sowohl in der Qualität als auch in der Übertragungsgeschwindigkeit. Auch Fehlschläge sind möglich. Ähnliche Probleme treten im Rahmen der verlustbehafteten Komprimierung auf.
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Herkömmlich wurde versucht, die beschriebene Herausforderung über eine Erhöhung der Bandbreiten zu lösen. Doch das ist, wie bereits ausgeführt, nur mit sehr hohem Aufwand möglich. Herkömmliche Lösungsansätze benötigen häufig noch mehr Bandbreite als zuvor.
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Aus dem Stand der Technik sind insbesondere die folgenden Datenkompressionsverfahren bekannt:
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Bei MP3 wird das Wissen über die Benutzung von Audiodaten verwendet, um weniger Daten zu speichern bzw. zu übertragen als im Quelldatenstrom enthalten sind. Das bedeutet unter anderem, dass von einem Menschen nicht hörbare Anteile aus dem Datenstrom entfernt werden. Dieses Vorgehen ist jedoch für Industriedaten und andere Datentypen ungeeignet.
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Bei einer Zip-Kompression werden auftretende Redundanzen im Datenstrom nicht mitübertragen, um Bandbreite zu sparen. Der Kompressionsfaktor ist durch die auftretenden Redundanzen sowie durch das gewählte Datenfenster (zum Beispiel ein Zeitfenster, Frame) jedoch limitiert.
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Es ist im Ergebnis also immer noch schwierig, Nutzdaten bei beschränkter Bandbreite effizient zu übermitteln.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Nutzdaten auch bei beschränkter Bandbreite effizient zu übermitteln.
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Diese Aufgabe wird durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung, durch eine Anordnung, durch ein Verfahren zum Übermitteln von Information hinsichtlich eines Dateninhalts einer zeitlichen Abfolge von Nutzdaten von einer Datenverarbeitungsvorrichtung an ein Zielgerät, durch ein computerlesbares Speichermedium und durch ein Programm-Element mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Datenverarbeitungsvorrichtung zum Steuern (zum Beispiel im Sinne eines Auswählens bestimmter Nutzdatenelemente, deren Inhalt zu übermitteln ist, und zum Auswählen von anderen Nutzdatenelementen, deren Inhalt nicht separat zu übermitteln ist, etwa weil sich der Wert eines solchen Nutzdatenelements gegenüber einem Vorwert nicht ausreichend stark verändert hat) eines Übermittelns von Information hinsichtlich eines Dateninhalts einer zeitlichen Abfolge von Nutzdaten (solche Information kann zum Beispiel eine Übermittlung einer ausgewählten Teilmenge von Nutzdatenelementen der zeitlichen Nutzdatenabfolge selbst sein, oder eine andere Information, die für einen Inhalt von zum Übermitteln ausgewählter Nutzdaten indikativ ist, aber nicht das Nutzdatenelement selbst darstellt) an ein Zielgerät geschaffen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung eine Ermittlungseinrichtung (zum Beispiel ein Prozessor, mehrere Prozessoren oder ein Teil eines Prozessors), die zum Ermitteln einer für eine Schwankung oder Veränderung der Nutzdaten (insbesondere aufeinanderfolgender Nutzdatenelemente) über die Zeit indikativen Information eingerichtet ist, und eine Steuereinrichtung (zum Beispiel ein Prozessor, mehrere Prozessoren oder ein Teil eines Prozessors) aufweist, die zum Steuern des Übermittelns der Information hinsichtlich des Dateninhalts der Nutzdaten in Abhängigkeit von der ermittelten Information (d.h. betreffend die Schwankung oder Veränderung) eingerichtet ist.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Anordnung bereitgestellt, die eine Nutzdatenübermittlungsvorrichtung (insbesondere mehrere Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen) zum Übermitteln einer zeitlichen Abfolge von Nutzdaten, und eine Datenverarbeitungsvorrichtung (vorzugsweise, aber nicht zwingend mit den oben beschriebenen Merkmalen) aufweist, die mit der Nutzdatenübermittlungsvorrichtung zum Nutzdatenempfang kommunizierfähig gekoppelt ist, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung zum Steuern eines Übermittelns einer Information hinsichtlich eines Dateninhalts einer zeitlichen Abfolge von Nutzdaten an ein Zielgerät derart eingerichtet ist, dass nur hinsichtlich eines Teils der Nutzdaten in Abhängigkeit von einer Schwankung oder Veränderung der Nutzdaten über die Zeit die Information (insbesondere betreffend den Inhalt ausgewählter Nutzdatenelemente oder ein Schwankungskriterium erfüllender Nutzdatenelemente) an das Zielgerät übermittelt wird.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Übermitteln von Information hinsichtlich eines Dateninhalts einer zeitlichen Abfolge von Nutzdaten von einer Datenverarbeitungsvorrichtung an ein Zielgerät geschaffen, wobei bei dem Verfahren eine für eine Schwankung (oder Veränderung) der Nutzdaten über die Zeit indikative Information ermittelt wird und das Übermitteln der Information hinsichtlich des Dateninhalts der Nutzdaten von der Datenverarbeitungsvorrichtung an das Zielgerät in Abhängigkeit von der ermittelten Information betreffend die Schwankung ermittelt wird.
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In einem computerlesbaren Speichermedium gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Programm zum Übermitteln einer Information hinsichtlich eines Dateninhalts einer zeitlichen Abfolge von Nutzdaten von einer Datenverarbeitungsvorrichtung an ein Zielgerät gespeichert, welches Programm, wenn es von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt wird, die oben beschriebenen Verfahrensschritte steuert bzw. durchführt.
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Ein Programm-Element (insbesondere Computerprogramm-Element) gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Übermitteln von Information hinsichtlich eines Dateninhalts einer zeitlichen Abfolge von Nutzdaten von einer Datenverarbeitungsvorrichtung an ein Zielgerät weist die oben beschriebenen Verfahrensschritte auf (bzw. führt diese durch), wenn es von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können sowohl mittels eines Computerprogramms, das heißt einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektrischer Schaltungen, das heißt in Hardware, oder in beliebig hybrider Form, das heißt mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden. Insbesondere kann bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung die Software zumindest teilweise auch als App, d.h. als downloadbare und dann installierbare Software-Applikation, für die Datenverarbeitungsvorrichtung und/oder das Zielgerät ausgebildet sein.
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Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird bei einer Abfolge oder einer Sequenz eingehender und hinsichtlich ihres Informationsgehalts im Rahmen einer bestimmten Genauigkeit zu übermittelnder Nutzdaten zunächst ermittelt, wie stark die aufeinanderfolgenden Datenwerte voneinander abweichen, sich verändern bzw. schwanken. Abhängig vom Ergebnis dieser Ermittlung kann dann bewertet werden, ob die Übermittlung eines folgenden Datenpunkts angesichts der ermittelten Schwankung im Vergleich mit der gewünschten Genauigkeit nötig ist oder nicht. Als Datenwert kann hierbei insbesondere der Inhalt eines Datenpunkts angesehen werden, wobei ein Datenpunkt insbesondere als dieser Inhalt zu einem bestimmten Zeitpunkt angesehen werden kann. Insbesondere kann eine Übermittlung eines neuen Datenpunkts bzw. Datenwerts oder einer hierfür indikativen Nutzdateninhaltsinformation von der Erfüllung der Bedingung abhängig gemacht werden, dass sich der neue Datenwert außerhalb eines durch die gewünschte Genauigkeit definierten Korridors gegenüber dem vorangehenden Datenwert befindet. Andernfalls ist eine Übermittlung dieses Dateninhalts oder Datenwerts entbehrlich, da sich dessen Informationsgehalt gegenüber dem Vorwert im Rahmen einer akzeptierten Schwankungsbreite oder Genauigkeitsanforderung nicht signifikant verändert hat. Auf diese Weise kann eine übermittelte Datenmenge wirksam begrenzt bzw. reduziert werden, ohne dass im Rahmen einer gewünschten Genauigkeit relevante Information verloren geht. Auf diese Weise kann selbst bei begrenzter Bandbreite der Inhalt einer Abfolge von Nutzdaten effizient übermittelt werden.
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Insbesondere kann gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel also eine intelligente, algorithmengesteuerte, variable Datenübertragung zur effizienten oder sogar optimalen Nutzung verfügbarer Bandbreiten ermöglicht werden. Dies kann selbst bei großen Datenströmen die Notwendigkeit entbehrlich machen, eine existierende Bandbreite zu erhöhen. Anschaulich kann gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel eine sinnwahrende Lücke in der Übertragung der Abfolge von Nutzdaten erreicht werden. Dabei tritt mit Vorteil eine Reduktion der zu übertragenden Datenmenge auf, was durch eine variable Datenrate bzw. einen intelligenten Umgang mit hohen Datenvolumen ermöglicht werden kann. Insbesondere können hierfür Schwankungen in den Dateninhalten bzw. Datenvolumen (zum Beispiel ein Wechsel zwischen Peaks und ruhigeren Phasen) ausgenutzt werden. Dabei kann mit Vorteil eine Einhaltung der Datengüte gewährleistet werden.
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Ein exemplarisches Ausführungsbeispiel der Erfindung schafft insbesondere ein Übertragungsprotokoll. Um die Qualität und Quantität von Nutzdaten (zum Beispiel Messdaten eines Sensors) selbstregulierend in ein effizientes, situationsabhängiges Gleichgewicht zu bringen, kann durch ein solches Protokoll grundsätzlich nur so viel Bandbreite beansprucht werden, wie zum Auswerten der Nutzdaten für einen bestimmten Zweck nötig ist. Gleichzeitig können so wenig Datenwerte wie möglich übertragen werden, ohne im Rahmen einer vorgebbaren Genauigkeit die Qualität der Aussage zu verfälschen. Das gezielte Implementieren einer sinnwahrenden Lücke in der Datenübertragung kann also anschaulich gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung zu einer besonders effizienten Übertragung von Information genutzt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine adaptive, bidirektionale Funktionsweise in Kombination mit Metadaten eingesetzt werden, die zusammen mit den eigentlichen Nutzdaten (zum Beispiel Messdaten) übertragen werden können. Durch ein Erkennen von Nutzdatenwertschwankungen (insbesondere Messwertschwankungen), zum Beispiel in Form von Standardabweichungen oder anderer statistischer Parameter, und einer entsprechenden Aktivierung bestimmter Algorithmen ist es möglich, ein Übertragen einer größeren Datenmenge selbst bei beschränkter Bandbreite zu erreichen.
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Ein Übertragungsprotokoll gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann also bei der Erfassung der Nutzdaten für eine intelligente Selektion von Nutzdaten sorgen, um die zu übertragenen Datenmengen zu reduzieren und damit die Bandbreitennutzung effizienter zu machen bzw. optimieren zu können. Während herkömmlich die Handhabung möglichst großer Datenmengen, also Quantität, im Vordergrund steht, stellen exemplarische Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Lösung bereit, bei der die Qualität im Zentrum steht. Bei einem entsprechenden Algorithmus können abgefragte Daten mit Metadaten anreichert werden und kann Bidirektionalität in einer Kommunikation zwischen einer Datenverarbeitungsvorrichtung und einem Zielgerät ermöglicht werden. Ausführungsbeispiele der Erfindung können besonders vorteilhaft in einem Industrie 4.0-Umfeld verwendet werden. Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine erhöhte Nutzdatenübertragung (insbesondere Messwertübertragung) trotz Nutzung einer bestehenden, bandbreitebegrenzten Infrastruktur ermöglicht werden. Ein solches exemplarisches Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt einen grundlegenden Schritt in Richtung selbstorganisierender cyber-physischer Systeme dar, indem ein Protokoll nach der Änderung eines Auslesemodus bzw. der Nutzdatenmenge selbst die Datenverdichtung im Rahmen von der Weiterübertragung oder Weiterverarbeitung der Nutzdaten steuern kann. Da ein solches Protokoll mit Metadaten arbeitet, bleiben andere Kompressionsverfahren davon unberührt und können mit Vorteil zusätzlich eingesetzt werden, um die übertragene Datenmenge noch einmal zu reduzieren.
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Zusätzlich stellt ein Protokoll gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung auch sicher, dass bei einer ungenügenden Bandbreite so viel Information wie möglich übertragen wird und dass dank der Metainformation eine korrekte Interpretation der übertragenen Daten sichergestellt ist. Dies bedeutet, dass ein auswertendes System gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung immer erkennen kann, wie hoch der statistische Fehler der übertragenen Nutzdaten ist. Auf diese Weise ermöglichen exemplarische Ausführungsbeispiele eine besonders effiziente Nutzung existierender Bandbreiten. Ein besonders bevorzugtes Anwendungsgebiet von exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt auf dem Gebiet von Sensoren im Rahmen eines Industrie-4.0-Netzwerks in der Produktion.
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Im Folgenden werden bevorzugte Weiterbildungen der Datenverarbeitungsvorrichtung, der Anordnung, des Verfahrens, des computerlesbaren Speichermediums und des Programm-Elements beschrieben.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung eingerichtet sein, einen Dateninhalt aktueller Nutzdaten erst dann an das Zielgerät zu übermitteln, wenn sich der Dateninhalt aktueller Nutzdaten von vorangehenden Nutzdaten infolge der Schwankung um mehr als einen vorgebbaren Schwellwert unterscheidet. Der Schwellwert, der zum Beispiel von einem Benutzer oder einem Knoten wie zum Beispiel dem Zielgerät vorgegeben werden kann, kann eine gewünschte Genauigkeit festlegen. Befindet sich eine nächster Datenwert innerhalb eines durch den Schwellwert definierten Bereichs, so ist eine Übermittlung dieses Datenwerts entbehrlich, da mit einer Nicht-Übermittlung zu einem bestimmten Zeitpunkt die Information transportiert werden kann, dass sich der Wert eines Datenpunktes gegenüber einem Vorwert um weniger als den Schwellwert verändert hat. Liegt der Datenwert des neuen Datenpunkts dagegen außerhalb eines durch den Schwellwert definierten Bereichs, hat sich unter Berücksichtigung der vorgegebenen Genauigkeit der Datenwert so stark verändert, dass eine Übermittlung dieses Datenwerts oder hierfür indikativer Information ausgelöst werden kann.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Datenverarbeitungsvorrichtung eine Steuerschnittstelle aufweisen (insbesondere eine Benutzerschnittstelle) mittels welcher der vorgebbare Schwellwert (insbesondere benutzerseitig) vorgebbar ist. Auf diese Weise kann ein Benutzer oder kann das Zielgerät stets vorgeben, ab welcher Schwankung oder Veränderung der Nutzdaten gegenüber vorangehenden Nutzdaten eine Übermittlung eines neuen Datenwerts oder hierfür indikativer Information getriggert werden soll.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Ermittlungseinrichtung eingerichtet sein, Nutzdaten von einer Nutzdatenübermittlungsvorrichtung (insbesondere von einer Mehrzahl von Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen) übermittelt zu bekommen. Zum Beispiel kann die Ermittlungseinrichtung gemeinsam mit der Steuereinrichtung auch mehrere Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen, zum Beispiel mehrere Sensoren, bedienen. Auf diese Weise können die Ressourcen gering gehalten werden. Eine solche Nutzdatenübermittlungsvorrichtung, zum Beispiel ein Sensor, kann zum Beispiel kontinuierlich Nutzdaten an die Steuervorrichtung übermitteln. Die Steuervorrichtung kann dann die Schwankungsinformation ermitteln und ein Weiterübermitteln eines ausgewählten Teils der Nutzdaten oder hierfür indikativer Information an ein Zielgerät oder dergleichen abhängig von der Schwankung und einem eine gewünschte Genauigkeit definierenden Schwellwert einstellen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Nutzdatenübermittlungsvorrichtung separat von der Datenverarbeitungsvorrichtung und kommunizierfähig mit der Datenverarbeitungsvorrichtung gekoppelt sein. Alternativ kann die Nutzdatenübermittlungsvorrichtung als integraler Teil der Datenverarbeitungsvorrichtung ausgebildet sein. Zum Beispiel können dezentrale Sensoren (beispielsweise Temperatur- oder Drucksensoren an verschiedenen, auch unzugänglichen Stellen einer Industrieanlage) als Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen fungieren. Mehrere solcher Sensoren können kommunizierfähig mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung (zum Beispiel ein Computer oder ein Prozessor) gekoppelt werden. Die Sensoren oder Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen können daher separat von der Datenverarbeitungsvorrichtung ausgebildet werden. Dies schafft insbesondere für ein verteiltes Sensornetzwerk den Vorteil einer hohen Flexibilität und Designfreiheit.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung eingerichtet sein, anstelle der unmittelbaren Nutzdaten eine Information an das Zielgerät zu übermitteln, die für einen Wertekorridor indikativ ist, innerhalb welchem die Nutzdaten liegen. Reicht dem Zielgerät also eine bestimmte Genauigkeit aus, die zu den Wertekorridor korrespondiert, so reicht die Übermittlung dieses Wertekorridors anstelle der Übermittlung von einzelnen Nutzdateninhaltswerten aus, um dieselbe Information innerhalb des gewünschten Genauigkeitsbereichs zu transportieren.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung eingerichtet sein, ungeachtet der ermittelten Information betreffend die Schwankung Information hinsichtlich eines Dateninhalts der Nutzdaten an das Zielgerät zu übermitteln, wenn ein vorbestimmtes Ereignis eintritt. Es kann Situationen geben, in denen eine Übermittlung von Nutzdaten wünschenswert ist, selbst wenn sich deren aufeinanderfolgende Werte aus dem vorgegebenen Schwankungsbereich nicht heraus bewegen. Indem bei Eintreten eines vorbestimmten Ereignisses ungeachtet der Schwankungsbreite die Übermittlung eines Nutzdatenwerts ausgelöst wird, kann die Flexibilität und Fehlerrobustheit des Systems weiter verbessert werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das vorbestimmte Ereignis ein Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls seit Übermittlung der letzten Nutzdaten oder eine explizite Anforderung von Nutzdaten durch das Zielgerät sein. Mit anderen Worten kann zum Beispiel in regelmäßigen Zeitabständen immer ein neuer Datenwert bzw. ein neues Nutzsignal übertragen werden. Der Empfang eines Nutzsignals zu vorbestimmten Zeitpunkten stellt auch in der Kommunikation zwischen Datenverarbeitungsvorrichtung und Zielgerät sicher, dass Kommunikationsprobleme (zum Beispiel angezeigt durch das Ausbleiben eines übermittelten Datenwerts zu einem erwarteten Zeitpunkt) schnell erkannt werden können. Sollte das Zielgerät zu einem bestimmten Zeitpunkt den Bedarf haben, Nutzdaten anzufordern (zum Beispiel wenn das Zielgerät Zweifel an der Korrektheit von zuvor übermittelten Nutzdaten hat oder an einer zeitweise dichten Kenntnis der Nutzdatenentwicklung interessiert ist), kann bei Realisierung einer bidirektionalen Kommunikationsfähigkeit zwischen Datenverarbeitungsvorrichtung und Zielgerät die Übermittlung von Nutzdaten außerhalb der Reihe und/außerhalb einer vorgegebenen Verarbeitung angefordert werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Ermittlungseinrichtung eingerichtet sein, die für die Schwankung der Nutzdatenwerte über die Zeit indikative Information anhand eines über mehrere Datenelemente der Nutzdaten gebildeten Mittelwerts zu ermitteln. Wird zum Treffen der Entscheidung, ob ein neues Nutzsignal oder hierfür indikative Information an das Zielgerät übermittelt werden soll, lediglich ein Vergleich zwischen einem vorangehenden und einem nachfolgenden Datenpunkt durchgeführt, können einzelne Ausreißer unter den Nutzsignalen (zum Beispiel ein Nutzsignal mit einer ungewöhnlich hohen Abweichung, zum Beispiel aufgrund eines Rauschpeaks) zu einer Übermittlung dieses Ausreißers an das Zielgerät führen, obwohl sich der Datenwert eigentlich nicht signifikant verändert hat. Derartige unerwünschte Phänomene können unterdrückt werden, wenn für die Ermittlung der für die Schwankung indikativen Information über mehrere (zum Beispiel aufeinanderfolgende) Datenwerte oder Nutzsignale gemittelt wird und der ermittelte Mittelwert für die Bestimmung der Schwankungsinformation herangezogen wird. Dadurch können die Fehleranfälligkeit und die erforderliche Bandbreite weiter verringert werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Datenverarbeitungsvorrichtung eingerichtet sein, dem Zielgerät den Nutzdaten zugeordnete, aber von deren Dateninhalt unterschiedliche Metadaten zu übermitteln, die für die Schwankung indikative Information enthalten. Werden Metadaten übertragen, so handelt sich hierbei nicht um den Datenwert der Nutzdaten selbst, sondern um die Schwankung charakterisierende Daten, zum Beispiel eine Standardabweichung.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Anordnung das Zielgerät aufweisen, das mit der Datenverarbeitungsvorrichtung kommunizierfähig gekoppelt ist, insbesondere bidirektional kommunizierfähig gekoppelt ist. Ein solches Zielgerät kann zum Beispiel eine zentrale Steuervorrichtung einer Industrieanlage sein, die zum Steuern auch die Nutzdaten der Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen (zum Beispiel von dezentralen Sensoren) benötigt. Indem gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung die Datenverarbeitungsvorrichtung dem Zielgerät nicht jeden einzelnen Nutzdatenpunkt übermittelt, sondern nur bei ausreichend großen Abweichungen von gegenüber vorangehenden Nutzdatenpunkten ein Signal übermittelt, kann auch die von dem Zielgerät zu verarbeitende Datenmenge mit Vorteil reduziert werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Zielgerät eingerichtet sein, der Datenverarbeitungsvorrichtung einen Schwellwert vorzugeben, und die Steuereinrichtung eingerichtet sein, Information hinsichtlich aktueller Nutzdaten erst dann an das Zielgerät zu übermitteln, wenn sich die aktuellen Nutzdaten von vorangehenden Nutzdaten infolge der Schwankung um mehr als den Schwellwert unterscheiden. Mit anderen Worten kann das Zielgerät vorgeben, welche Genauigkeit bei der Übermittlung der Nutzdaten gewünscht wird. Damit kann auch die Menge der übermittelten Nutzdaten zielgerätseitig eingestellt bzw. auf eine vorhandene Bandbreite angepasst werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel können das Zielgerät und die Datenverarbeitungsvorrichtung zum Kommunizieren gemäß Message Queue Telemetry Protocol (MQTP) gekoppelt sein. MQTT ist ein Nachrichtenprotokoll für Machine-to-Machine-Kommunikation, das die Übertragung von Telemetriedaten in Form von Nachrichten zwischen Geräten ermöglicht, und zwar insbesondere trotz hoher Verzögerungen oder beschränkten Netzwerken. Entsprechende Geräte reichen von Sensoren und Aktoren bis zu voll entwickelten Rechnern. Wenngleich MQTT für exemplarische Ausführungsbeispiele besonders vorteilhaft eingesetzt werden kann, können auch andere Kommunikationsprotokolle zur Realisierung exemplarischer Ausführungsbeispiele der Erfindung eingesetzt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Nutzdatenübermittlungsvorrichtung als Sensor, insbesondere als autonomer Sensor oder als mikroelektromechanisches System (MEMS), ausgebildet sein. Ein solcher Sensor kann zum Beispiel ein RFID-Tag aufweisen, mit dem kontaktlos Sensordaten als Nutzdaten an die Datenverarbeitungsvorrichtung übermittelt werden können.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Nutzdatenübermittlungsvorrichtung zum Erzeugen der Nutzdaten eingerichtet sein. Mit anderen Worten kann die Nutzdatenübermittlungsvorrichtung die Nutzdaten dann generieren und (zum Beispiel als analoger Spannungspegel) fortwährend an die Datenverarbeitungsvorrichtung übermitteln.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen Sensoren sein und kann die Datenverarbeitungsvorrichtung eine Steuerung eines verteilten Sensornetzwerks sein. Die Sensoren können also dezentral an beliebigen Orten angebracht werden (zum Beispiel kann ein Temperatursensor mit drahtlos kommunizierfähigem Transponder an eine beliebige Stelle einer Industrieanlage angeklebt werden). Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann kommunizierfähig mit den Sensoren gekoppelt und an einer geeigneten Stelle (vorzugsweise räumlich nahe bei den Sensoren) angebracht werden. Die Kommunikation zwischen der Datenverarbeitungsvorrichtung und dem Zielgerät kann dann über ein beliebiges Kommunikationsnetzwerk, zum Beispiel das Internet oder ein Intranet oder ein Telekommunikationsnetzwerk, abgewickelt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Nutzdaten Sensordaten, Bilddaten, Audiodaten, Videodaten und/oder Telekommunikationsdaten sein. Bevorzugt sind die Nutzdaten Sensordaten, da die beschriebenen Vorteile von Ausführungsbeispielen der Erfindung dann besonders stark zur Geltung kommen, weil Sensordaten häufig Zeitintervalle mit geringen Änderungen im Dateninhalt enthalten.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann bei dem Verfahren die für die Schwankung der Nutzdaten über die Zeit indikative Information eine Standardabweichung der Nutzdaten sein. Es können alternativ oder ergänzend aber auch andere Parameter zur quantitativen Beschreibung der Schwankung herangezogen werden, wenn ein anderes mathematisches Modell eingesetzt wird. Insbesondere können gemäß exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung auch analoge Verfahren implementiert werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann bei dem Verfahren bei größeren Schwankungen mehr Information hinsichtlich Nutzdaten pro Zeit übermittelt werden als bei geringeren Schwankungen. Sind die Schwankungen gering, ändert sich der Dateninhalt gegenwärtig nicht oder wenig. Sind die Schwankungen hingegen größer, erfahren die Nutzdaten gegenwärtig eine starke Veränderung. Häufig sind letztere Ereignisse besonders interessant, sodass dann die Auflösung solcher Ereignisse verbessert werden kann, indem zeitweise die übermittelte Datenmenge erhöht wird, solange die Schwankungen andauern. Beträgt zum Beispiel die Solltemperatur in einem Kühlhaus 5 °C, so ist für das Zielgerät die von einem Temperatursensor detektierte Information weniger relevant, dass über sieben Tage hinweg die Temperatur in einem geringen Abweichungskorridor stets bei 5 °C lag, sondern vielmehr die Information relevant, dass am fünften Tag für 5 Minuten die Temperatur vorübergehend auf 20 °C anstieg. Somit kann gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung nicht nur der Datenübermittlungsaufwand reduziert werden, sondern auch die von dem Zielgerät zu verarbeitende Information mit Vorteil verringert werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann bei dem Verfahren zeitweise von einer Übermittlung von Information hinsichtlich eines Dateninhalts einer zeitlichen Abfolge von Nutzdaten abgesehen werden, wenn die Schwankungen unterhalb eines vorgebbaren Schwellwerts liegen. In spiegelbildlicher Weise kann bei dem Verfahren aktualisierte Information hinsichtlich Nutzdaten erst übermittelt werden, wenn die Schwankungen oberhalb des vorgebbaren Schwellwerts liegen. Die Nichtübermittlung eines Nutzdatenpunkts kann dann von den Zielgerät dahingehend interpretiert werden, dass die nachfolgenden Nutzdaten von den vorangehend übermittelten Nutzdaten um weniger als einen die Schwankung charakterisierenden Parameter abweichen, mithin weiterhin innerhalb eines bereits bekannten Wertekorridors liegen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel können bei dem Verfahren zusätzlich in den Nutzdaten redundante Datenabschnitte ermittelt werden und von einer Übermittlung von Information hinsichtlich der ermittelten redundanten Datenabschnitte abgesehen werden. Mit anderen Worten kann das auf der Ermittlung der Schwankung basierende Verfahren mit einem zusätzlichen Datenkompressionsalgorithmus kombiniert werden, der redundante Datenabschnitte nicht separat übermittelt, sondern zum Beispiel gebündelt überträgt. Dadurch kann die übermittelte Datenmenge weiter verringert werden.
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Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die folgenden Figuren detailliert beschrieben.
- 1 zeigt eine Anordnung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung aus Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen, Datenverarbeitungsrichtungen und einem Zielgerät, wobei die Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen zum Übermitteln einer zeitlichen Abfolge von Nutzdaten an die Datenverarbeitungsvorrichtungen ausgebildet sind, die nur einen Teil der Nutzdaten oder von deren Dateninhalt an das Zielgerät weiterübermitteln.
- 2 zeigt Diagramme, die ein Verfahren zum Übermitteln von Information hinsichtlich einer zeitlichen Abfolge von Nutzdaten von einer Nutzdatenübermittlungsvorrichtung über eine Datenverarbeitungsvorrichtung an ein Zielgerät gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulichen.
- 3 zeigt eine Anordnung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung aus Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen, einer Datenverarbeitungsvorrichtung und einem Zielgerät.
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Tabelle 1Tabelle 8
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Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
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Bevor in den Figuren gezeigte Ausführungsbeispiele erläutert werden, werden einige Aspekte von Ausführungsbeispielen der Erfindung näher erläutert.
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Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine zeitliche Abfolge von Nutzdaten (zum Beispiel in Form von Sensordaten) oder deren Informationsgehalt nur teilweise an ein Zielgerät übermittelt, so dass im Rahmen dieser Datenweiterübertragung eine Datenkompression durchgeführt wird. Diese Datenkompression erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von einer gegenwärtigen Schwankung oder Veränderung aufeinanderfolgender Nutzdaten bzw. Nutzdatenelemente im Verhältnis zueinander.
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Sich schnell ändernde oder langsam ändernde Signale oder Nutzdaten, starke Schwankungen in Datenvolumen und die Datengüte werden in herkömmlichen Datenübermittlungssystemen nicht unterschieden und folglich bei der Übertragung der Nutzdaten nicht berücksichtigt. Dabei kann gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung eine Berücksichtigung dieser Schwankungen Bandbreitenprobleme reduzieren. Ein exemplarisches Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt also ein Verfahren zum Steuern der Übermittlung von Information hinsichtlich eines Dateninhalts einer zeitlichen Abfolge von Nutzdaten bereit, bei dem die Effizienz der Datenübertragung mit begrenzten bzw. existierenden Bandbreiten erhöht werden kann.
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Um dies zu erreichen, wird gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung eine verlustbehaftete Komprimierung der Nutzdaten durchgeführt. Diese Art der Komprimierung kann Algorithmen verwenden, welche zunächst die Schwankungen der Nutzdaten quantifizieren und unter Berücksichtigung einer gewünschten oder vorgegebenen Genauigkeit der übermittelten Nutzdaten basierend auf der Schwankung nur einen Teil der Nutzdaten oder deren Informationsgehalt weiterübermitteln. Ein entsprechendes Übertragungsprotokoll basiert dabei auf einem Paradigmenwechsel: Um die Qualität und Quantität von Nutzdaten (insbesondere Messdaten und weiter insbesondere Sensordaten) selbstregulierend in ein effizientes, situationsabhängiges Gleichgewicht zu bringen, wird durch ein Übertragungsprotokoll gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung grundsätzlich nur so viel Bandbreite beansprucht, wie zum Auswerten der Nutzdaten für einen bestimmten Zweck nötig ist. Gleichzeitig wird so wenig Bandbreite wie möglich beansprucht, ohne die Qualität der Aussage der Nutzdaten zu verfälschen. Um dies zu erreichen, werden gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung sinnwahrende Lücken in der Datenübertragung eingefügt. Dies bedeutet, dass das Übermitteln einzelner Nutzdatenelemente oder deren genauer Datenwerte unterbleiben kann, wenn die ermittelte Schwankung eines aktuellen Nutzdatenelements gegenüber einem oder mehreren direkt vorangehenden Nutzdatenelementen unterhalb einen für eine gewünschte Genauigkeit indikativen Schwellwerts liegt. Bei einem solchen Übertragungsprotokoll kann eine adaptive und hinsichtlich der Kommunikation zwischen einer Nutzdateninhalten übermittelnden Datenverarbeitungsvorrichtung und einem die Nutzdateninhalte empfangenden Zielgerät bidirektionale Funktionsweise implementiert werden. Auch Metadaten können zusammen mit den Nutzdaten mitübertragen werden. Ferner kann ein Erkennen von Nutzdatenschwankungen (insbesondere Messschwankungen) in Form von Standardabweichungen oder dergleichen durchgeführt werden. In Abhängigkeit von einem entsprechenden Ermittlungsergebnis können zugehörige Algorithmen adaptiert werden, die beispielsweise das Übertragen einer größeren Datenmenge bewirken.
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Mathematisch ausgedrückt kann gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Einhüllende der Nutzdaten (zum Beispiel Messwerte einer Messeinrichtung, insbesondere Sensorwerte eines Sensors) übertragen werden. Dies stellt in Hinblick auf eine zu übertragende Datenmenge eine wesentlich effizientere Vorgehensweise dar als eine Übermittlung aller Nutzdaten (insbesondere Messwerte) selbst, da dann zum Beispiel nur Daten übertragen werden, wenn ein mathematisch definierter Schwellwert (zum Beispiel eine Standardabweichung) überschritten wird. Dadurch bleibt - bezogen auf das mathematisch gewählte Modell - die Aussage der Nutzdaten gleich. Gleichzeitig kann mit Vorteil die übermittelte Datenmenge deutlich reduziert werden. Jede Übertragung eines neuen Datenpunktes oder Nutzdatenelements oder darin enthaltener Information kann dabei die Bezugsgröße für den oder die folgenden Datenpunkte oder Nutzdatenelemente bilden, d.h. in einer mathematisch definierten Weise eine Referenz für die Ermittlung der Schwankung bilden. So kann sich zum Beispiel jedes Mal der Mittelpunkt bzw. das Zentrum eines Korridors (der anschaulich als Schlauch bezeichnet werden kann) ändern, der die Einhüllende der Datenpunkte oder Nutzdatenelemente repräsentiert. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Inhalt der Nutzdaten (insbesondere Messwerte) mit einer garantierten Genauigkeit übertragen werden kann. Gleichzeitig kann hierbei sichergestellt werden, dass nicht mehr Bandbreite verwendet wird als für die definierte Genauigkeit benötigt wird. Zum Beispiel können bei unauffälligen Nutzdatenabschnitten (zum Beispiel unauffälligen Messdaten, die in einem Soll-Bereich liegen) kleinere und/oder zeitlich stärker voneinander beabstandete Datenmengen übertragen werden als bei auffälligen Nutzdatenabschnitten (zum Beispiel auffälligen Messdaten, die außerhalb eines Soll-Bereichs liegen). Daher kann gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung die Datenrate der Nutzdatenübertragung variabel eingestellt werden, abhängig von einer gegenwärtigen Schwankungsbreite aufeinanderfolgender Nutzdatenelemente im Verhältnis zueinander. Um dies zu erreichen, können verschiedene Modelle zum Einsatz kommen, insbesondere für sich verhältnismäßig rasch ändernde Signale während einer Flanke eines Anstiegs oder Abfalls der Werte der Nutzdaten (zum Beispiel ein Messsignalanstieg). Dies kann vorzugsweise dazu verwendet werden, die zeitliche Verzögerung bei einer Schwankung gering zu halten bzw. sogar zu minimieren.
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Sofern gewünscht oder notwendig, kann gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung auch auf einen Modus mit einer Direktübertragung der Nutzdaten umgeschaltet werden, falls durch einen zugehörigen Algorithmus erkannt wird, dass eine solche Direktübertragung unter den aktuellen Bedingungen günstiger ist oder von einem Benutzer oder Knoten (zum Beispiel dem Zielgerät) angefordert wird. Gemäß einem solchen Ausführungsbeispiel kann immer nur eine optimierte Datenmenge übertragen werden, insbesondere bei stark schwankendem Signal bzw. stark schwankenden Nutzdaten. In letzterem Szenario kann eine Direktübertragung vorteilhafter sein.
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Bevorzugt kann es serverseitig (d.h. auf Seiten des Zielgeräts, das als Server ausgebildet sein kann) möglich sein, Sollwerte bzw. Schwellwerte von Standardabweichungen zu definieren bzw. vorzugeben, die an bestimmte Strategien zur Bandbreitennutzung bzw. Bandbreitenschonung geknüpft sein können. Zu diesem Zweck kann für die Datenübertragung zwischen den auch als Datenkonzentratoren fungierenden Datenverarbeitungsvorrichtungen, an welche die Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen (insbesondere Sensoren) angebunden sein können, und übergeordneten Sensorkonzentratoren zum Beispiel ein Protokoll erstellt werden, das ein adaptives Eingreifen noch vor disruptiven Ereignissen ermöglicht. Diese Kommunikation kann bevorzugt in einer MQTT (Message Queue Telemetry Protocol)-basierten Client-Server-Architektur erfolgen. Hierbei kann das Zielgerät als Server konfiguriert sein, die Datenverarbeitungsvorrichtung als Client. Die übermittelten Signale können durch Metadaten angereichert werden, die ihre Qualität beschreiben, um eine ressourcenschonende, adaptive Bandbreitennutzung zu ermöglichen.
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Bevorzugt kann ein exemplarisches Ausführungsbeispiel der Erfindung für die Kommunikation zwischen mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) eingesetzt werden, insbesondere in einer Industrieanlage gemäß Industrie 4.0-Architektur.
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1 zeigt eine als Kommunikationsnetzwerk ausgebildete Anordnung 100 aus einer Vielzahl von zum Beispiel als dezentrale Sensoren ausgebildeten Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen 140, einer Mehrzahl von beispielsweise als Computer oder Prozessoren in Clientfunktionalität ausgebildeten Datenverarbeitungsvorrichtungen 120 und einem zum Beispiel als Server ausgebildeten Zielgerät 180 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen 140 können Nutzdaten 160 (siehe 2) - zum Beispiel Sensordaten - generieren und einer zugeordneten Datenverarbeitungsvorrichtung 120 bereitstellen. Die jeweilige Datenverarbeitungsvorrichtung 120 kann die Nutzdaten 160 analysieren bzw. (vor)verarbeiten und eine Entscheidung treffen, welche zeitliche Abfolge von Nutzdaten 160 - genauer gesagt welche Teilmenge der Nutzdaten 160 - hinsichtlich ihres Informationsgehalts an das Zielgerät 180 weiter übermittelt werden.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Anordnung 100 also eine große Anzahl von Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen 140 auf. Diese können zum Beispiel als verteilte, insbesondere autonome, Sensoren einer Industrieanlage ausgebildet sein. Diese Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen 140 erzeugen eine zeitliche Abfolge von Nutzdaten 160, zum Beispiel eine Sequenz von in bestimmten Zeiträumen einer zugeordneten Datenverarbeitungsvorrichtung 120 übermittelte Nutzdatenelemente oder stellen einen analogen Spannungspegel bereit, dessen jeweiliger Wert die jeweiligen Nutzdaten 160 darstellt. Die Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen 140 erzeugen also die Nutzdaten 160, die der jeweils zugeordneten Datenverarbeitungsvorrichtung 120 zugeführt werden. Gemäß 1 sind die Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen 140 separat von den ihr zugeordneten Datenverarbeitungsvorrichtungen 120 vorgesehen. Alternativ können die Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen 140 aber auch in die Datenverarbeitungsvorrichtung 120 integriert werden, oder umgekehrt. Anschaulich kann zum Beispiel ein jeweiliger Sensor oder eine andere Nutzdatenübermittlungsvorrichtung 140 kontinuierlich alle Nutzdaten 160 an die Datenverarbeitungsvorrichtung 120 senden, wobei Letztere die Nutzdaten 160 dann komprimiert oder umwandelt und nur eine reduzierte Datenmenge an das zentrale Zielgerät 180 versendet.
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1 veranschaulicht Beispiele für einen Aufbau einzelner Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen 140. Eine erste Nutzdatenübermittlungsvorrichtung 140' kann ein Sensorelement 141 aufweisen, das eine Sensorinformation am Ort der ersten Nutzdatenübermittlungsvorrichtung 140' ermitteln kann. Zum Beispiel kann ein solches Sensorelement 141 ein Temperatursensor, ein Drucksensor, ein Chemosensor, ein Beschleunigungssensor, etc. sein. Eine detektierte Sensorinformation kann einem Prozessorelement 143 der ersten Nutzdatenübermittlungsvorrichtung 140' zur Vorverarbeitung zugeführt werden. Die erste Nutzdatenübermittlungsvorrichtung 140' kann ferner eine elektrische Energieversorgungseinrichtung 145, zum Beispiel eine Batterie, aufweisen, mit der die erste Nutzdatenübermittlungsvorrichtung 140' mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Darüber hinaus kann die erste Nutzdatenübermittlungsvorrichtung 140' eine Kommunikationsschnittstelle 147 mit einer Antenne 149 aufweisen und zum Beispiel als Transponder (insbesondere gemäß der RFID-Technologie) Nutzdaten 160 an eine entsprechende Kommunikationsschnittstelle 157 der zugeordneten Datenverarbeitungsvorrichtung 120 übermitteln.
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Eine zweite Nutzdatenübermittlungsvorrichtung 140" kann sich von der ersten Nutzdatenübermittlungsvorrichtung 140' zum Beispiel darin unterscheiden, dass keine elektrische Energieversorgungseinrichtung 145 vorgesehen ist, sondern dass der Energieverbrauch der zweiten Nutzdatenübermittlungsvorrichtung 140" dem elektromagnetischen Feld entnommen werden kann, das die zugeordnete Datenverarbeitungsvorrichtung 120 zum Kommunizieren erzeugt.
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Eine dritte Nutzdatenübermittlungsvorrichtung 140''' kann sich von der ersten Nutzdatenübermittlungsvorrichtung 140' zum Beispiel darin unterscheiden, dass die Kommunikation mit der zugeordneten Datenverarbeitungsvorrichtung 120 nicht drahtlos, sondern drahtgebunden erfolgt. Eine Versorgung der dritten Nutzdatenübermittlungsvorrichtung 140''' mit elektrischem Strom kann mittels einer Batterie 145 und/oder über den mit Bezugszeichen 153 schematisierten Draht und/oder über einen optionalen separaten Energieversorgungsdraht (nicht dargestellt) erfolgen.
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Eine jeweilige der Datenverarbeitungsvorrichtungen 120 ist mit einem oder mehreren zugehörigen der Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen 140 zum Nutzdatenempfang kommunizierfähig gekoppelt. Zum Beispiel ist die in 1 detailliert dargestellte Datenverarbeitungsvorrichtung 120 mit den drei Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen 140', 140", 140''' kommunizierfähig gekoppelt. Wie mit Bezugszeichen 151 dargestellt, kann ein Teil der Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen 140 mit der Datenverarbeitungsvorrichtung 120 drahtlos kommunizierfähig gekoppelt sein. Wie mit Bezugszeichen 153 dargestellt, kann ein anderer Teil der Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen 140 mit der Datenverarbeitungsvorrichtung 120 drahtgebunden kommunizierfähig gekoppelt sein.
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Die rohen Nutzdaten 160, die einer jeweiligen Datenverarbeitungsvorrichtung 120 der Anordnung 100 von den ihr räumlich und funktionell jeweils zugeordneten Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen 140 bereitgestellt werden, werden von der Datenverarbeitungsvorrichtung 120 verarbeitet. Diese Datenverarbeitung ist dergestalt, dass die Datenverarbeitungsvorrichtung 120 eine Schwankung (siehe Bezugszeichen 108 in 2) aufeinanderfolgender Nutzdatenelemente ermittelt, die ihr von einer jeweiligen Nutzdatenübermittlungsvorrichtung 140 zugeführt werden. Abhängig von dieser ermittelten Schwankung 108 steuert die Datenverarbeitungsvorrichtung 120 ein Übermitteln von Information hinsichtlich eines Dateninhalts einer zeitlichen Abfolge der Nutzdaten 160 an das Zielgerät 180 derart, dass nur eine Teilmenge der Nutzdaten 160 (direkt oder hinsichtlich ihres Informationsgehalts) in Abhängigkeit von der ermittelten Schwankung 108 der Nutzdaten 160 über die Zeit an das Zielgerät 180 übermittelt wird. Dadurch kann eine von einer jeweiligen Datenverarbeitungsvorrichtung 120 an das Zielgerät 180 übertragene Datenmenge gering gehalten werden, ohne dass damit im Rahmen einer von dem Zielgerät 180 vorgebbaren oder gewünschten Genauigkeit ein Informationsverlust hinsichtlich des Informationsgehalts der Abfolge von Nutzdaten zu befürchten ist. Ist eine Schwankung 108 oder Veränderung aufeinanderfolgender Nutzdaten 160 größer als ein die Genauigkeitsanforderung charakterisierender vorgebbarer Schwellwert, kann eine Weiterübermittlung der letzten Nutzdaten 160 oder deren Informationsgehalt an das Zielgerät 180 ausgelöst werden, da der zugehörige Datenwert dem Zielgerät 180 bislang nicht bekannt war und sich angesichts der Genauigkeitsanforderung relevant geändert hat. Ist dies nicht der Fall, brauchen die letzten Nutzdaten 160 nicht an das Zielgerät 180 weiterübermittelt werden, da sich diese innerhalb des vorgegebenen Genauigkeitsintervalls befinden und somit nicht relevant geändert haben.
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Das Zielgerät 180 ist mit den Datenverarbeitungsvorrichtungen 120 über ein Kommunikationsnetzwerk 155 bidirektional kommunizierfähig gekoppelt. Zum Beispiel können das Zielgerät 180 und die Datenverarbeitungsvorrichtungen 120 zum Kommunizieren gemäß einem Message Queue Telemetry Protocol (MQTT) gekoppelt sein. Andere Kommunikationsprotokolle können ebenfalls eingesetzt werden. Zum Zweck der Kommunikation hat eine jeweilige der Datenverarbeitungsvorrichtungen 120 eine Kommunikationsschnittstelle 159 und hat das Zielgerät 180 eine Kommunikationsschnittstelle 161. Die Kommunikation zwischen einer jeweiligen der Datenverarbeitungsvorrichtungen 120 und dem Zielgerät 180 kann drahtlos oder drahtgebunden erfolgen. Die bidirektionale Kommunizierfähigkeit des Zielgeräts 180 mit den Datenverarbeitungsvorrichtungen 120 bedeutet, dass sowohl eine jeweilige Datenverarbeitungsvorrichtung 120 eine Kommunikationsnachricht (zum Beispiel zur Übermittlung eines Teils der Nutzdaten 160, einer Einhüllenden der Nutzdaten 160 und/oder einer anderen für den Nutzdateninhalt indikativen Information) über das Kommunikationsnetzwerk 155 an das Zielgerät 180 übermitteln kann, als auch das Zielgerät 180 eine Kommunikationsnachricht (zum Beispiel zur Festlegung einer geforderten Genauigkeit der übermittelten Nutzdateninhalte, beispielsweise in Form eines Schwellwerts) über das Kommunikationsnetzwerk 155 an eine jeweilige Datenverarbeitungsvorrichtung 120 übermitteln kann. Das Kommunikationsnetzwerk 155 kann zum Beispiel das Internet, ein Intranet, ein Telekommunikationsnetzwerk oder ein anderes Netzwerk zur Übertragung von Industriedaten bzw. Sensordaten sein.
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Wie 1 entnommen werden kann, weist die dort im Detail dargestellte Datenverarbeitungsvorrichtung 120 eine Ermittlungseinrichtung 104 und eine Steuereinrichtung 106 auf, deren Funktionalität unten näher beschrieben wird. Die Ermittlungseinrichtung 104 und die Steuereinrichtung 106 können als jeweiliger Prozessor, als Mehrzahl von Prozessoren oder als jeweiliger Teil eines Prozessors ausgebildet werden. Es ist auch möglich, die Ermittlungseinrichtung 104 und die Steuereinrichtung 106 als gemeinsamen Prozessor auszubilden, auf dem ein Computerprogramm ausgeführt wird. Mittels einer Benutzerschnittstelle 110 kann die Steuervorrichtung 120 mit einem Benutzer kommunizieren. Zum Beispiel kann ein Benutzer über die Benutzerschnittstelle 110 Steuerbefehle geben. Es ist auch möglich, dem Benutzer über die Benutzerschnittstelle 110 Daten anzuzeigen. Darüber hinaus weist die Datenverarbeitungsvorrichtung 120 eine Datenbank 163 auf, in der Daten gespeichert werden können und von der Daten gelesen werden können. Beispielsweise kann die Datenbank 163 als elektronischer Massenspeicher, zum Beispiel als Festplatte, ausgebildet sein. Bevorzugt weist die Datenbank 163 jedoch einen fest verbauten Speicher (zum Beispiel eine Memory-Datenbank) auf, der nur für die Fehleranalyse zuständig ist, wobei gegebenenfalls eine weitere Datenbank auf einer Festplatte (zum Beispiel einer SSD-Festplatte) untergebracht sein kann (zum Beispiel mit einem flüchtigen Speicher). Die Datenverarbeitungsvorrichtung 120 kann zum Steuern des Übermittelns einer Information hinsichtlich eines Dateninhalts einer zeitlichen Abfolge von Nutzdaten 160 an das Zielgerät 180 ausgebildet sein und weist zu diesem Zweck die Ermittlungseinrichtung 104 und die Steuereinrichtung 106 auf. Die Ermittlungseinrichtung 104 ist zum Ermitteln einer für eine Schwankung der Nutzdaten 160 über die Zeit indikativen Information eingerichtet. Die Steuereinrichtung 106 steuert das Übermitteln der Information hinsichtlich des Dateninhalts der Nutzdaten 160 in Abhängigkeit von der ermittelten Schwankungsinformation unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Genauigkeitsparameters.
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Um eine Genauigkeit eines Korridors zu definieren, in dem weiterhin liegende Nutzdaten 160 nicht an das Zielgerät 180 übermittelt werden brauchen, kann das Zielgerät 180 eingerichtet sein, der Datenverarbeitungsvorrichtung 120 einen entsprechenden, genauigkeitsdefinierenden Schwellwert vorzugeben. In entsprechender Weise kann die Steuereinrichtung 106 eingerichtet sein, Information hinsichtlich eines Dateninhalts aktueller Nutzdaten 160 erst dann an das Zielgerät 180 zu übermitteln, wenn sich die aktuellen Nutzdaten 160 von vorangehenden Nutzdaten 160 infolge der Schwankung 108 um mehr als den Schwellwert unterscheiden. Anschaulich kann also ein Kanal mit einer bestimmten Breite definiert werden. Dann werden nicht mehr alle Einzeldaten übertragen, vielmehr findet eine Übertragung nur noch dann statt, wenn neue Datenpunkte den Kanal verlassen haben. Dadurch kann die Kapazität eines Übertragungsmediums erhöht werden, ohne dass ein Qualitätsverlust eintritt.
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Mit Vorteil kann die Ermittlungseinrichtung 104 eingerichtet sein, die für die Schwankung 108 der Nutzdaten 160 über die Zeit indikative Information anhand eines über mehrere (zum Beispiel 3 bis 10) Datenelemente der Nutzdaten 160 gebildeten Mittelwerts zu ermitteln. Bei der Entscheidung, ob infolge einer aufgetretenen Schwankung ein neuer Datenpunkt gesendet wird, kann also über mehrere vorangehende Datenpunkte gemittelt werden. Einzelne Ausreißer in den Datenpunkten stören dann nicht, besonders Rauschphänomene sind dann unproblematisch.
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Die Steuereinrichtung 106 der Datenverarbeitungsvorrichtung 120 ist eingerichtet, aktuelle Nutzdaten bzw. deren Informationsgehalt erst dann an das Zielgerät 180 zu übermitteln, wenn sich die aktuellen Nutzdaten 160 von vorangehenden Nutzdaten 160 infolge der Schwankung um mehr als einen vorgebbaren Schwellwert unterscheiden. Bis zum Überschreiten des Schwellwerts kann eine Datenübertragung von der Datenverarbeitungsvorrichtung 120 an das Zielgerät 180 also unterbleiben oder ausgesetzt werden. Ferner kann die Steuereinrichtung 106 auch eingerichtet sein, anstelle der unmittelbaren Nutzdaten 160 oder eines Teils davon eine Information an das Zielgerät 180 zu übermitteln, die für einen Wertekorridor indikativ ist, innerhalb welchem die Nutzdaten 160 liegen. Es ist möglich, dass eine jeweilige der Datenverarbeitungsvorrichtungen 120 dem Zielgerät 180 den Nutzdaten 160 zugeordnete Metadaten übermittelt, die für die Schwankung 108 indikative Information enthalten.
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Darüber hinaus kann die die Steuereinrichtung 106 eingerichtet sein, ungeachtet der ermittelten Schwankungsinformation hinsichtlich aktueller Nutzdaten 160 die aktuellen Nutzdaten 160 an das Zielgerät 180 zu übermitteln, wenn ein vorbestimmtes Ereignis eintritt. Von dem oben beschriebenen Algorithmus kann also abgewichen werden, wenn ein solches vorbestimmtes Ereignis eintritt. Zum Beispiel kann ein solches vorbestimmtes Ereignis der Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls seit Übermittlung der letzten Nutzdaten 160 oder eine gezielte Anforderung von Nutzdaten 160 durch das Zielgerät 180 sein. Zum Beispiel kann also in regelmäßigen Abständen immer ein jeweiliges Nutzdatenelement von einer Datenverarbeitungsvorrichtung 120 an das Zielgerät 180 übermittelt werden, zum Beispiel um die Funktionsfähigkeit der Kommunikation überwachen. Auch wenn das Zielgerät 180 eine bestimmte Dateninformation ausdrücklich anfordert, kann von dem beschriebenen Algorithmus abweichend ein zusätzliches Nutzdatenelement übermittelt werden.
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Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist also ein Verfahren zum Übermitteln einer Information hinsichtlich eines Dateninhalts einer zeitlichen Abfolge von Nutzdaten 160 von einer jeweiligen der Datenverarbeitungsvorrichtungen 120 an das Zielgerät 180 geschaffen. Hierbei kann zunächst eine für eine Schwankung 108 der Nutzdaten über die Zeit indikative Information ermittelt werden. Dann kann das Übermitteln der Nutzdaten 160 oder ihres Dateninhalts von der Datenverarbeitungsvorrichtung 120 an das Zielgerät 180 in Abhängigkeit von der ermittelten Information gesteuert werden. Besonders ausgeprägt ist das Ersparnis an übermittelter Datenmenge, wenn die Nutzdaten 160 Sensordaten einer Industrieanlage, eines Fahrzeugs, etc. sind. Allerdings ist es auch möglich, mit dem beschriebenen Protokoll andere Arten von Nutzdaten 160, zum Beispiel Bilddaten, Audiodaten, Videodaten und/oder Telekommunikationsdaten zu übertragen. Bei dem beschriebenen Verfahren kann die für die Schwankung 108 der Nutzdaten 160 über die Zeit indikative Information eine Standardabweichung der Nutzdaten 160 sein, wobei alternativ oder ergänzend andere geeignete Parameter der Statistik eingesetzt werden können. Mit Vorteil können bei dem Verfahren bei größeren Schwankungen 108 mehr Nutzdaten 160 pro Zeit übermittelt werden als bei geringeren Schwankungen 108. Dann skaliert die Menge übertragener Daten mit der Signifikanz der Daten. Bei dem Verfahren kann sogar zeitweise ganz von einer Übermittlung von Nutzdaten 160 abgesehen werden, solange die Schwankungen 108 unterhalb eines vorgebbaren Schwellwerts liegen. Dann haben sich die Dateninhalte im Rahmen der gewünschten Genauigkeit nicht verändert, so dass eine Übertragung von Zusatzdaten den gewünschten Informationsgehalt nicht erhöhen würde. Somit können zur Reduzierung der zu übermittelnden Datenmenge ohne Informationsverlust im Rahmen einer gewünschten Genauigkeit bei dem Verfahren Nutzdaten 160 immer erst dann übermittelt werden, wenn die aktuellen Schwankungen oberhalb eines vorgebbaren Schwellwerts liegen. Ansonsten kann auch ohne zusätzliche Übermittlung von Daten zielgerätseitig davon ausgegangen werden, dass sich innerhalb des definierten Schwellwertbereichs der Dateninhalt nicht verändert hat.
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Optional ist es bei dem Verfahren einer jeweiligen Datenverarbeitungsvorrichtung 120 möglich, zusätzlich in den zur Übermittlung ausgewählten Nutzdaten 160 redundante Datenabschnitte zu ermitteln und die ermittelten redundanten Datenabschnitte nicht gesondert an das Zielgerät 180 zu übermitteln. Dadurch kann die zu übermittelnde Datenmenge weiter reduziert werden.
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2 zeigt Diagramme 170, 190, die ein Verfahren zum Übermitteln einer Information hinsichtlich eines Dateninhalts einer zeitlichen Abfolge von Nutzdaten 160 von einer Nutzdatenübermittlungsvorrichtung 140 über eine Datenverarbeitungsvorrichtung 120 an ein Zielgerät 180 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulichen.
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Das Diagramm 170 hat eine Abszisse 172, entlang welcher die Zeit aufgetragen ist. Entlang einer Ordinate 174 sind die einzelnen Messwerte bzw. Dateninhalte der Nutzdaten 160 aufgetragen, wie sie die Nutzdatenübermittlungsvorrichtung 140 an die Datenverarbeitungsvorrichtung 120 übermittelt.
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Das Diagramm 190 hat eine Abszisse 192, entlang welcher ebenfalls die Zeit aufgetragen ist. Entlang einer Ordinate 194 ist nur ein Teil der Messwerte bzw. Dateninhalte der Nutzdaten 160 aufgetragen, welchen Teil die Datenverarbeitungsvorrichtung 120 an das Zielgerät 180 weiterübermittelt.
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Ein zwischen den Diagrammen 170 und 190 aufgetragenes Feld 195 stellt Vorgaben dar, die zum Beispiel von dem Zielgerät 180 hinsichtlich der Genauigkeit der zu übermittelnden Nutzdateninformation der Datenverarbeitungsvorrichtung 120 bereitgestellt werden können. Anschaulich ist in dem Feld 195 ein zeitlicher Verlauf der Nutzdaten 160 mit Bezugszeichen 197 innerhalb eines erlaubten Genauigkeitskorridors 199 dargestellt. Dem Feld 197 ist auch die aktuelle Schwankung 108 der Nutzdaten 160 zu entnehmen.
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Anschaulich werden neue Informationen hinsichtlich des Dateninhalts der Nutzdaten 160 von der Datenverarbeitungsvorrichtung 120 an das Zielgerät 180 grundsätzlich nur dann übermittelt, wenn ein neues Datenelement der Nutzdaten 160 infolge seiner relativ starken Schwankung 108 den Genauigkeitskorridor 199 verlassen hat. In Diagramm 190 ist die Teilmenge der Nutzdaten 160 gezeigt, die dann tatsächlich von der Datenverarbeitungsvorrichtung 120 an das Zielgerät 180 übertragen werden. Davon abgesehen wird in (allerdings relativ großen) regelmäßigen Zeitabständen immer ein neues Datenelement übertragen, um die Zuverlässigkeit der Kommunikation zwischen der Datenverarbeitungsvorrichtung 120 und dem Zielgerät 180 sicherzustellen und überwachen zu können. Wie ein Vergleich der erzeugten Rohdatenmenge gemäß Diagramm 170 mit der übermittelten komprimierten Datenmenge gemäß Diagramm 190 zeigt, kann das beschriebene Verfahren die zu übermittelnde Datenmenge signifikant verringern und daher auch bei beschränkten Bandbreitebedingungen wirksam und zuverlässig im Rahmen einer gewünschten Genauigkeitsvorgabe ohne Informationsverlust arbeiten.
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Das beschriebene Verfahren basiert gemäß dem Ausführungsbeispiel von 2 darauf, dass der tolerierbare Fehler bei den übertragenen Daten als Maßzahl für die Menge der zu übertragenden Datenpunkte verwendet wird. Damit wird sichergestellt, dass nur so viele Daten übertragen werden, wie zum Einhalten der Fehlerbandbreite (siehe Bezugszeichen 197) nötig sind. Es ist dann zwar nicht möglich, den einzelnen Messpunkt exakt zu bestimmen. Allerdings ist stets bekannt, innerhalb welchem Vertrauensbereich der tatsächliche Wert liegt - und dieser Vertrauensbereich ist einstellbar. Damit lassen sich hohe Datenreduktionsraten erzielen, wenn zum Beispiel nur langsam veränderliche Werte gemessen werden, auch zum Beispiel in Pausen. 2 veranschaulicht also, dass bei einer gegebenen Bandbreite durch adaptive Anpassung die Qualität des Datenstroms optimiert werden kann.
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2 zeigt Metadaten 112, die einen Genauigkeitskorridor angeben. Nur wenn (von den optional in festen Zeitabständen übermittelten Datenpunkten der Nutzdaten 160 abgesehen) ein nachfolgender Datenpunkt der Nutzdaten 160 den Genauigkeitskorridor um den vorangehenden Datenpunkt (oder mehrere vorangehende Datenpunkte) der Nutzdaten 160 herum verlässt, wird dieser von der Datenverarbeitungsvorrichtung 120 an das Zielgerät 180 übermittelt.
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3 zeigt eine Anordnung 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Anordnung 100 ist aus diversen Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen 140, einer Datenverarbeitungsvorrichtung 120 als Sensorsteuerung und einem Zielgerät 180 als Zentrale aufgebaut. 4 bis 11 zeigen Tabellen, aus denen für unterschiedliche Szenarien des Betriebs einer herkömmlichen Datenübertragungsanlage und der erfindungsgemäßen Anordnung 100 gemäß 3 für die Datenübertragung indikative Parameter zusammengestellt sind.
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3 zeigt einen Beispielablauf zur Datenkompression für die Datenübertragung von Sensordaten als Nutzdaten 160, die von diversen als Sensoren ausgebildeten Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen 140 generiert werden. Diese Sensoren weisen zum Beispiel Temperatursensoren (in 3 mit „Temp“ bezeichnet) sowie Lichtsensoren (in 3 mit „Licht“ bezeichnet) auf. Eine Kommunikationsverbindung zwischen der Datenverarbeitungsvorrichtung 120 und dem Zielgerät 180 weist einen Datenkanal 200 zum Übermitteln von Nutzdaten 160 oder deren Dateninhalt und einen hier separat von dem Datenkanal 200 ausgebildeten Kommandokanal 202 zum Übermitteln von Steuerkommandos auf. Über den Datenkanal 200 können also Nutzdaten 160 bzw. nutzdatenindikative Daten übermittelt werden, wohingegen über den Kommandokanal 202 Steuerinformationen übermittelt werden können (zum Beispiel eine maximale Anzahl N von zu übertragenen Datenpunkten, Schwellwerte, etc.). Zwei Diagramme 204, 206 (vergleiche hierzu 2) zeigen für unterschiedliche Steuerszenarien (insbesondere unterschiedliche Schwellwerte) und zugehörige unterschiedliche Auflösungen eine Sequenz von übermittelten Nutzdaten 160.
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In einer im Weiteren beschriebenen exemplarischen Ausgangssituation wird von einer Produktionshalle mit abgetrennten Büros ausgegangen, die auf Vollautomatik umgestellt wird. Diese Umstellung hat zur Folge, dass Zimmer (zum Beispiel Umkleideraum, Pausenraum) aufgelassen werden und zwei neue Produktionsstraßen eingebaut werden. Eine Produktionsstraße soll hierbei aus einem Fließband mit vielen Elektromotoren (E-Motoren) aufgebaut sein. Die Kennzahl eines jeden der Elektromotoren ist die aktuelle Leistung und Temperatur.
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Bisher werden die Produktionsdaten (zum Beispiel Stückzahl, Start, Ende, QA-Daten bzw. Qualitätssicherungsdaten) an die Überwachungszentrale als Zielgerät 180 zur Aufbereitung und Verarbeitung übertragen, und zwar mit einer Datenrate von 20 Zählerständen pro Minute (20 x 16 = 320 bit/min). Die Überwachung der Anlage erfolgt lokal, d.h. die Motorkennzahlen werden direkt am Motor gemessen und in lokalen Schalttafeln ausgewertet. Zusätzlich werden dort auch weitere Wartungsdaten erfasst und angezeigt, zum Beispiel Betriebsstundenzähler.
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Die Auswertung erfolgt zum Beispiel durch einen Vergleich mit einem Schwellwert, wobei bei Überschreitung bzw. Unterschreitung ein Warnsignal ertönt und eine Lampe blinkt, gegebenenfalls mit einer einhergehenden Abschaltung. Dies bedeutet, dass die Maschinendaten nicht zur Zentrale bzw. zum Zielgerät 180 übertragen werden. Bei der Umstellung auf vollautomatischen Betrieb sollen auch Maschinendaten weitergeleitet werden. Da keine Bedienungsmannschaft vorgesehen ist, die permanent anwesend ist, ist die Anzeige von kritischen Maschinenzuständen vor Ort (zum Beispiel akustisch mit einer Sirene und optisch mit einem Blinklicht) nicht mehr zielführend. Diese Daten sollen möglichst effektiv an das Zielgerät 180 als Überwachungszentrale übertragen werden.
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Tabelle 1 bis Tabelle 8 zeigen Tabellen, aus denen für unterschiedliche Szenarien des Betriebs einer herkömmlichen Datenübertragungsanlage und der Anordnung gemäß 3 für die Datenübertragung indikative Parameter zusammengestellt sind.
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Tabelle 1 ist eine Übersicht benötigter Daten einer Produktionsstraße. Insgesamt gibt es in dem vorliegenden Szenario drei Produktionsstraßen.
Tabelle 1
| Produktionsstraße bestehend aus | Anzahl der Daten (Werte) |
| E-Motoren | 10 |
| Sensoren je E-Motor | |
| | Strom messung | 1 |
| | Temperaturmessung | 1 |
| Zusätzl. Temperatursensoren | 5 |
| Lichtschranken | 10 |
| Betriebsstundenzähler | 5 |
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Tabelle 2 veranschaulicht die Berechnung benötigter Daten bei drei Produktionsstraßen.
Tabelle 2
| | Berechnung | Anzahl der Daten (Werte) |
| Stromsensoren | 1 * 10 * 3= | 30 |
| Temperatursensoren | (1 * 10 + 5) * 3 = | 45 |
| Lichtschranken (digitaler Sensor ein/aus) | 10 * 3= | 30 |
| Betriebsstundenzähler (Zählerstände) | 5 * 3= | 15 |
| Gesamtsumme | | 120 |
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Im Rahmen einer zusätzlich durchzuführenden Hallenüberwachung fällt ein weiterer sensorischer Aufwand an. Tabelle 3 veranschaulicht die Bereitstellung weiterer Sensoren, die implementiert werden, um zusätzlich die ganze Halle mittels Temperatur- und Helligkeitssensoren zu überwachen. Die benötigten Übertragungsdaten sollen zum Beispiel als 16 bit Werte übertagen werden.
Tabelle 3
| Hallenüberwachung bestehend aus | Anzahl der Daten (Werte) |
| Temperatursensoren | 10 |
| Helligkeitssensoren | 10 |
| Gesamtsumme | 20 |
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Tabelle 4 stellt das Ergebnis einer Berechnung einer Datenübertragung dar, die bei der beschriebenen Sensorausstattung für die Produktionsstraßen und die Hallenüberwachung auf Basis von 16 Bit anfallen. Die benötigte Übertragungskapazität der Produktionsdaten liegt bei 20 Daten pro Minute, d.h. 320bit/min.
Tabelle 4
| | Anzahl der Daten (Werte) | bit |
| Produktionsstraßen | 120 * 16 = | 1.920 |
| Hallenüberwachung | 20 * 16 = | 320 |
| Gesamtsumme | 140 | 2.240 |
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Eine vorgegebene Zielsetzung bei dem beschriebenen Szenario besteht in einem sofortigen Erkennen einer Störung, Klassifizierung und Bewertung dieser Störung und Einleiten von entsprechenden Maßnahmen (zum Beispiel Alarmierung der Wartungsmannschaft, Abschaltung einer Produktionsstraße). Um eine sofortige Reaktion auf eine Störung zu gewährleisten, sind die Daten des Sensors zum Beispiel jede Sekunde zu erfassen und weiterzuleiten. Bei Anwendung auf alle Sensoren in der Produktionshalle ergäbe dies eine benötigte Übertragungskapazität, die Tabelle 5 entnommen werden kann. Tabelle 5 zeigt also Berechnungen des erforderlichen Sensordatenstroms.
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Der Rechnung gemäß Tabelle 5 ist zu entnehmen, dass die Produktionsdaten nur mehr eine kleine Menge der zu übertragenden Daten ausmachen. Vormals machten die Produktionsdaten die gesamte Datenmenge aus. Diese Überlegung ist eventuell überraschend, allerdings plausibel, da bei einer Störung sofort reagiert werden muss. Da nicht voraussehbar ist, an welcher Stelle die nächste Störung auftritt, müssen alle Daten mit hoher Frequenz übertragen werden.
Tabelle 5
| Kennzahl für | Berechnung | bit | bit/min | kbit/min (ca.) |
| Produktionsstraße und Hallenüberwachung | 2.240 * 60 = | | 134.400 | 131,25 |
| Produktionsdaten | 20 * 16 = | | 320 | 0,32 |
| Gesamtsumme | | | 134.720 | 131,57 |
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Unter der Annahme eines Normalbetriebs reicht die Übertragung der Daten alle 10 Minuten aus. Tabelle 6 zeigt entsprechende Berechnungen für den Normalbetrieb. Im Normalbetrieb reicht also zum Beispiel ca. 1/250 der Daten zur Überwachung der Montagehalle aus. Diese Reduktion lässt sich mit bekannten Komprimierungsverfahren (zum Beispiel Zip) nicht erreichen.
Tabelle 6
| Kennzahl für | Berechnung | bit | bit/min | kbit/min (ca.) |
| Produktionsstraße und Hallenüberwachung | 2.240 / 10 = | | 224 | 0,22 |
| Produktionsdaten | 20 * 16= | | 320 | 0,32 |
| Gesamtsumme | | | 544 | 0,54 |
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Die Anforderung des raschen Erkennens einer Störung wird somit mit einem 250-fachen der benötigten Datenübertragung erkauft. Die Anbindung der Halle an das Datennetz der Firma ist technisch bedingt relativ schwach. Dies bedeutet, dass die Übertragungskapazität mit zum Beispiel 10 kbit/min für die Produktionsdaten ausreicht (ca. 0,32 kbit/min). Die Übertragungskapazität kann allerdings nicht auf die erforderliche Kapazität bei herkömmlicher Sensordatenübertragung (132 kbit/min) ausgebaut werden, sondern wird auf (die maximal möglichen) 20 kbit/min ausgebaut.
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Unter der Annahme eines Störungsfalls sollen ungefähr zehn Sensoren mit höchster Genauigkeit arbeiten, der Rest kann im Regelbetriebsmodus weiterarbeiten. Tabelle 7 zeigt entsprechende Berechnungen für einen Störungsfall.
Tabelle 7
| Kennzahl für | Berechnung | bit | bit/min | kbit/min (ca.) |
| Produktionsstraße und Hallenüberwachung (Störungsbereich) | 10 * 16= | 160 bit (*60/min) | 9.600 | 9, 38 |
| Produktionsstraße und Hallenüberwachung (Normalbetrieb) | 2.240 - 160 = | 2080 bit (*0,1/min) | 208 | 0,2 |
| Zwischensumme | | | 9.808 | 9,58 |
| Produktionsdaten | 20 * 16= | | 320 | 0,32 |
| Gesamtsumme | | | 10.128 | 9,90 |
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Im Weiteren wird beschrieben, wie eine Realisierung mittels intelligenter Datenreduktion (IDR) gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgen kann.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden nicht die Sensordaten selbst übermittelt, sondern die statistische Auswertung von N Datenpunkten und die Übertragung des Mittelwerts und der Standardabweichung. Mittels zum Beispiel benutzerseitiger Einstellung über den Kommandokanal 202 wird die Anzahl N festgelegt und kann auch im laufenden Betrieb mittels Kommandofunktion von dem Zielgerät 180 bzw. der Zentrale umgestellt (d.h. neu festgelegt) werden.
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Zusätzlich werden noch Obergrenzen und Untergrenzen (zum Beispiel mittels Vorgebens von Schwellwerten) des Mittelwerts und der Standardabweichung festgelegt, die bei Überschreiten bzw. Unterschreiten eine sofortige Datenübertragung auslösen. Alle Schwellwerte können ebenfalls von dem Zielgerät 180 bzw. der Zentrale umgestellt und über den Kommandokanal 202 übermittelt werden. Der Wert N stellt also die maximale Anzahl von Datenwerten pro Datenübertragung dar.
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In einer Grundeinstellung der erfindungsgemäßen Anordnung 100 können Datenverarbeitungsvorrichtungen 120 bzw. Sensorcontroller (zum Beispiel ausgebildet mittels Prozessoren, an denen die Sensoren als Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen 140 angeschlossen sind und die Datenumwandlung der Sensoren in digitale Messwerte übernehmen) zum Beispiel auf eine Sensordatenrate von 1/s festgelegt werden. D.h., dass von den Sensoren bzw. Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen 140 jede Sekunde ein Wert ermittelt werden kann.
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Die maximalen Datenpunkte N können zum Beispiel so festgelegt werden, dass alle 10 min eine Übertragung stattfindet (N=60*10=600). Damit ist der Normalbetrieb konfiguriert. Um einen Ausfall erkennen zu können, sind noch die Schwellwerte entsprechend einzustellen. Diese Schwellwerte können bei einer ausgeprägten Verschiedenheit der Sensoren nicht einheitlich festgelegt werden. Nicht einmal innerhalb einer Sensorkategorie (zum Beispiel Temperatursensoren) ist bei exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung eine generelle Einstellung sinnvoll. Einflussfaktoren sind die Sensorgüte (d.h. Messwertschwankungen bei konstantem Abtastwert) und die erforderliche maximale Reaktionszeit bzw. Robustheit gegenüber einzelnen Ausreißerdaten. Diese Faktoren sind maßgeblich von der Einsatzcharakteristik bestimmt und beeinflussen einander wechselseitig.
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Bei richtiger Auswahl der Schwellwerte können die in den folgenden Störungsfällen beispielhaft beschriebenen Szenarien abgedeckt werden:
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Ein erster betrachteter Störungsfall bezieht sich auf einen Ausfall eines Elektromotors.
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Die lokale Steuerung schaltet die betroffene Produktionsstraße ab (inklusive eines Warnlichts an einer lokalen Steuertafel). In der Überwachungszentrale werden die Ausführung der Abschaltung sowie der betroffene Elektromotor angezeigt. Es erfolgt also eine Erkennung des Motorausfalls und des Produktionsstillstands.
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Ein zweiter betrachteter Störungsfall bezieht sich auf einen Brandausbruch an einer Produktionsstraße.
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In einem Szenario mit Bedienungsmannschaft sieht ein Mitarbeiter den Brand nach einigen Sekunden und handelt vor Ort. In einem vollautomatisierten Szenario wird ein Temperaturalarm in der Zentrale bzw. dem Zielgerät 180 ausgelöst, Raum- und Lichtsensoren können den Brand erkennen und lokalisieren. Die Zentrale bzw. das Zielgerät 180 alarmiert die Servicemannschaft und aktiviert gegebenenfalls eine Sprinkleranlage.
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Der Brandausbruch kann zum Beispiel mittels eines Raumdetektors (Temperatur oder Licht) erkannt werden, vergleiche die Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen 140 gemäß 3. Die Änderung der Temperatur mit der Änderung der Datenrate wird in der Zentrale bzw. dem Zielgerät 180 automatisch als Störung/Problemfall bewertet. Daraufhin gibt die Zentrale bzw. das Zielgerät 180 einen entsprechenden Alarm aus und konfiguriert die Sensoren bzw. Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen 140 in der Halle um. Alle Raumsensoren werden auf maximale Datenerfassung geschaltet, die Überwachungsdaten der beiden Produktionsstraßen, die nicht im betroffenen Gebiet stehen, werden wesentlich reduziert bzw. abgeschaltet.
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Ein dritter betrachteter Störungsfall bezieht sich auf einen Motorausfall.
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Durch die laufende Motorüberwachung kann ein problematischer Motor erkannt werden. Oftmals kündigt sich ein Motorausfall schon vorher durch erhöhte Stromaufnahme und erhöhte Betriebstemperatur an. Die Zentrale bzw. das Zielgerät 180 kann bei Erkennen dieser Symptomatik die Sensoren bzw. Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen 140 des betroffenen Motors oder auch alle Sensoren bzw. Nutzdatenübermittlungsvorrichtungen 140 des betroffenen Produktionsabschnitts auf höhere Datenraten umstellen, um eine bessere Diagnose erstellen zu können. Die Früherkennung eines solchen problematischen Motors ist ohne die genauere Datenerfassung (im Zuge der Vollautomatisierung) nicht möglich.
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Ein vierter betrachteter Störungsfall bezieht sich auf einen Sensorausfall.
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Oftmals kündigt sich ein Sensorausfall vor dem Komplettausfall durch eine wesentlich höhere Schwankungsbreite der Messwerte bei gleichbleibendem Durchschnittswert an. Dieser Fall kann deutlich von einer Änderung der Schwankungsbreite auf Grund einer Messwertänderung unterschieden werden. In so einem Fall kann der Sensor bzw. die Nutzdatenübermittlungsvorrichtung 140 noch vor dem Komplettausfall getauscht werden.
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Des Weiteren ist ein Sensortausch nicht immer einfach. Entweder es muss ein genau gleicher Sensor mit der gleichen Güte wieder eingebaut werden, was auch innerhalb einer Charge eines Herstellers nicht immer realisierbar ist, oder mit dem Einbau geht eine Kalibrierung vor Ort einher, die oft eigens geschultes Fachpersonal benötigt.
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Mittels einer erfindungsgemäßen Implementierung kann ein Sensor bzw. eine Nutzdatenübermittlungsvorrichtung 140 ohne aufwendige Kalibrierung vor Ort eingebaut werden, selbst wenn sich seine Spezifikationen vom Originalsensor unterscheiden. Die Zentrale bzw. das Zielgerät 180 betreibt diesen Sensor bzw. diese Nutzdatenübermittlungsvorrichtung 140 dabei nach Einbau in einem Kalibrierbetrieb, d.h. die Datenrate wird auf Maximum gestellt und die Schwellwerte werden alle abgeschaltet. Die Zentrale bzw. das Zielgerät 180 kann nun nach einiger Zeit die statistische Charakteristik des neuen Sensors bzw. der neuen Nutzdatenübermittlungsvorrichtung 140 errechnen und die Schwellwerte entsprechend einstellen. Auch hierbei handelt es sich um eine Funktion, die ohne genaue Datenerfassung nicht möglich ist.
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Tabelle 8 gibt eine Übersicht über die Übertragungskapazität einer Anordnung
100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Tabelle 8
| | Übertagungskapazität [kbit/min] |
| Datenleitung alt | 10,00 |
| Produktionsdaten | 0,32 |
| Datenleitung neu | 20,00 |
| Vollautomatisierung :„Klassische“ Datenübertragung | 131,57 |
| Vollautomatisierung: IDR Normalfall | 0,54 |
| Vollautomatisierung: IDR Störungsfall, 10 Sensoren | 9,90 |
| Vollautomatisierung: IDR Störungsfall, max. 20 Sensoren | 18,25 |
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
