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Die Erfindung betrifft die einheitliche Erfassung von Messdaten, die von verschiedenen Datenerfassungsgeräten geliefert wurden, mit dem Ziel, diese Messdaten zusammenzuführen und gemeinsam auszuwerten.
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Stand der Technik
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Bei der Steuerung und Überwachung industrieller Produktionsprozesse sowie weiterer komplexer Prozesse ist eine Vielzahl von Messdaten zusammenzuführen und auszuwerten, um den Zustand des Prozesses vollständig zu erfassen und den Prozess erforderlichenfalls zielgerichtet in eine Richtung lenken zu können. Die für die Erfassung der Messdaten verwendete Infrastruktur ist häufig keine komplett neu ausgerollte Lösung mit einheitlichen Messgeräten vom gleichen Hersteller.
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So haben beispielsweise industrielle Feldgeräte, mit denen in Produktionsprozessen Messdaten erfasst werden, lange Standzeiten bis hin zu Jahrzehnten. Geräte, die bei Defekten oder Erweiterungen der Anlage neu beschafft werden, können wesentlich neuer sein und/oder von anderen Herstellern stammen als die ursprünglichen Geräte, deren Hersteller es vielleicht schon nicht mehr gibt.
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In physikalischen Labors gibt es meistens weniger Messgeräte als in einem industriellen Produktionsprozess. Dafür sind die Messgeräte keine Massenware, sondern hochspezialisierte Produkte, die entsprechend teuer sind. Wenn für einen Zweck ein Gerät vorhanden ist, das die Funktion erfüllt, wird dieses verwendet und kein neues Gerät angeschafft. Entsprechend „bunt“ ist die Gerätelandschaft.
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Damit die Messdaten ausgewertet werden können, müssen sie von all den verschiedenen Messgeräten, die über unterschiedliche Protokolle und APIs angesprochen werden und unterschiedliche Datenformate ausgeben, zusammengetragen werden.
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Aufgabe und Lösung
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, dieses Zusammentragen von Messdaten aus einer heterogenen Landschaft von Datenerfassungsgeräten zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Interface gemäß Hauptanspruch sowie durch ein System gemäß Nebenanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich jeweils aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der Erfindung wurde ein Interface für die Erfassung von Datensätzen mit Messdaten in einer heterogenen Landschaft verschiedener Datenerfassungsgeräte entwickelt.
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Dieses Interface umfasst eine Mehrzahl von physikalischen und/oder logischen Eingabeschnittstellen. Jede dieser Eingabeschnittstellen ist mit mindestens einem Datenerfassungsgerät verbindbar und dazu ausgebildet, Messdaten von diesem Datenerfassungsgerät entgegenzunehmen. Eine physikalische Eingabeschnittstelle kann beispielsweise eine Ethernet-Schnittstelle, eine WLAN-Schnittstelle oder eine mit einem Feldbusnetzwerk (etwa HART oder 4-20-mA-Stromschleife) verbindbar ist. Eine logische Eingabeschnittstelle kann beispielsweise ein Protokoll oder eine Programmierschnittstelle (Application Programming Interface, API) sein, über die ein Datenerfassungsgerät Daten liefert bzw. um Daten angefragt werden kann. Dabei kann auch beispielsweise ein und dieselbe physikalische Eingabeschnittstelle mit mehreren logischen Eingabeschnittstellen kombiniert werden. So können beispielsweise über ein und dieselbe Ethernet-Schnittstelle verschiedene Datenerfassungsgeräte mit verschiedenen Protokollen oder APIs angesprochen werden.
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Weiterhin ist der Begriff der Eingabeschnittstelle auch nicht auf jederzeit verfügbare Online-Schnittstellen beschränkt. Beispielsweise können portable Messgeräte temporär mit einem Lesegerät verbunden werden, um die Messdaten auszulesen. Es können auch beispielsweise mit portablen Lesegeräten Messdaten von festinstallierten Messgeräten an verschiedenen Standorten ausgelesen werden. Messdaten können aber auch beispielsweise mit entfernbaren Speichermedien, wie etwa Speicherkarten oder USB-Sticks, von Datenerfassungsgeräten bezogen und eingelesen werden.
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In der heterogenen Landschaft sind mindestens zwei Eingabeschnittstellen dazu ausgebildet, die Messdaten von jeweils angeschlossenen Datenerfassungsgeräten über voneinander verschiedene Kommunikationsprotokolle zu beziehen.
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Das Interface weist eine Mehrzahl von Abstraktionseinheiten auf. Diese Abstraktionseinheiten sind dazu ausgebildet, Messdaten, die von verschiedenen Datenerfassungsgeräten bezogen wurden, auf ein gemeinsames Abstraktionsniveau umzusetzen, auf dem die umgesetzten Messdaten sinnvoll miteinander vergleichbar sind.
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Beispielsweise können verschiedene Messgeräte für ein und dieselbe Messgröße in verschiedenen Maßeinheiten und/oder bezogen auf verschiedene Referenzpunkte abliefern. So können etwa Thermometer europäischen Ursprungs die Temperatur in Kelvin oder Grad Celsius angeben, während ein weiteres Thermometer amerikanischen Ursprungs die Temperatur in Grad Fahrenheit angibt. Ebenso können verschiedene Messgeräte beispielsweise den Druck in Bar, Atmosphären, Pascal, Millimeter Quecksilbersäule (mmHg) oder Pfund pro Quadratzoll (pounds per square inch, psi) angeben, und dieser Druck kann absolut oder beispielsweise relativ zum Atmosphärendruck oder einem normalen Betriebsdruck angegeben werden.
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Die Referenzpunkte, auf die die Messgeräte ihre Angaben der Messgröße jeweils beziehen, können beispielsweise durch das Bestreben motiviert sein, die Messwerte in einer möglichst geringen Anzahl Bits zu kodieren bzw. den diesbezüglichen Dynamikbereich eines Analog-Digital-Wandlers bestmöglich auszunutzen. Wenn ein Messgerät beispielsweise Temperaturen zwischen -20°C und +100°C messen kann, kann es Sinn machen, die Temperatur relativ zur unteren Bereichsgrenze -20°C anzugeben. Die Werte liegen dann im Bereich zwischen 0 und 120, was bei einer Auflösung von 1°C mit sieben Bits kodierbar ist. Würde die Temperatur hingegen bezogen auf den absoluten Nullpunkt bei -273°C angegeben, würden im gleichen Messbereich Zahlenwerte zwischen 253 und 353 entstehen. Dann wären für die Kodierung neun Bits erforderlich, mit denen Zahlen zwischen 0 und 512 darstellbar sind.
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Die Abstraktionseinheiten vereinheitlichen all diese verschiedenen Schemata, nach denen die Daten von den Messgeräten angegeben werden können. Die Daten von allen Messgeräten können dann gemeinsam ausgewertet werden, ohne dass noch Rücksicht darauf genommen werden muss, von welchem Gerät die Daten jeweils stammen.
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Insbesondere ist dann auch die nachgeschaltete Auswertung der Messdaten vollkommen unabhängig von einem Wechsel der verwendeten Messgeräte. Ohne das hier beschriebene Interface oblag es häufig der für die Auswertung verwendeten Software, mit den Messgeräten zu kommunizieren und die Daten in den verschiedensten Formaten einzulesen. Bei einem Austausch des Messgeräts oder auch nur bei einem nicht hinreichend abwärtskompatiblen Firmware-Update auf einem Messgerät war es dann erforderlich, die Auswertungssoftware zu ändern oder zumindest neue Module für die geänderte Kommunikation mit dem Messgerät bereitzustellen. In dem Interface muss nur ein einziges Mal eine Abstraktionseinheit, und ggfs. auch eine Schnittstelle, angepasst werden, und dann kann jede Auswertungssoftware ohne Änderung weiter verwendet werden.
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Das Interface weist eine Ausgabeschnittstelle auf. Diese Ausgabeschnittstelle ist mit einem Speichersystem und/oder Verarbeitungssystem verbindbar und dazu ausgebildet, die auf das gemeinsame Abstraktionsniveau umgesetzten Messdaten an das Speichersystem und/oder Verarbeitungssystem auszugeben. Analog zur Eingabeschnittstelle kann die Ausgabeschnittstelle eine physikalische Schnittstelle, eine logische Schnittstelle oder eine Kombination hieraus umfassen.
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Wie anhand einiger Beispiele bereits erläutert, sind die Abstraktionseinheiten in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung dazu ausgebildet, in verschiedenen Maßeinheiten vorliegende Messdaten von verschiedenen Datenerfassungsgeräten auf eine gemeinsame Maßeinheit zu konvertieren. Die weitere Auswertung der Messdaten muss dann nur noch diese eine gemeinsame Maßeinheit berücksichtigen. Falsche Zuordnungen zwischen Zahlenwerten und Maßeinheiten sind eine häufige Fehlerquelle bei der Auswertung von Messdaten.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die Abstraktionseinheiten dazu ausgebildet, verschiedene semantische Bedeutungen, die Messdaten von verschiedenen Datenerfassungsgeräten zugewiesen sind, zumindest teilweise zu vereinheitlichen.
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So sind beispielsweise „Durchfluss“, „Fluss“ und „Massenstrom“ drei Bezeichnungen, die drei verschiedene Messgeräte für ein und dieselbe Messgröße verwenden können. Die Abstraktionseinheiten können diese Bezeichnungen vereinheitlichen. Dass es sich jeweils um die gleiche Messgröße handelt, kann beispielsweise erkannt werden, indem die Maßeinheiten, in denen die Messgrößen angegeben sind, jeweils in eine kanonische Darstellung in SI-Einheiten übersetzt werden. Wenn dann beispielsweise immer Kilogramm pro Sekunde herauskommt, ist klar, dass es sich jeweils um einen Massenstrom handelt.
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Mit einer geeigneten Zusatzinformation können Abstraktionseinheiten auch Maßeinheiten, die lediglich ähnlich und nicht komplett identisch sind, miteinander vereinheitlichen. So ist beispielsweise ein in Kubikmetern pro Sekunde angegebener Volumenstrom zunächst nicht dasselbe wie ein in Kilogramm pro Sekunde angegebener Massenstrom. Wenn sich jedoch beide Angaben auf die gleiche (inkompressible) Flüssigkeit beziehen und die Dichte dieser Flüssigkeit bei beiden Messungen gleich ist, kann die eine Angabe in die andere umgerechnet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Interface eine Mehrzahl von Warteschlangen. Diese Warteschlangen sind jeweils dazu ausgebildet, Datensätze mit Messdaten von einer der Eingabeschnittstellen entgegenzunehmen und in der Reihenfolge des Eingangs auf die dieser Eingabeschnittstelle zugeordnete Abstraktionseinheit weiterzuleiten. Beispielsweise kann auf diese Weise eine Abstraktionseinheit für eine Vielzahl von Eingabeschnittstellen zuständig sein und an diese Eingabeschnittstellen gemultiplext werden. Kommen Messdaten von einer Eingabeschnittstelle, die aktuell mit dem Zugriff auf die Abstraktionseinheit nicht an der Reihe ist, können diese Messdaten in der Warteschlange gepuffert werden. Auf diese Weise kann eine Abstraktionseinheit besser ausgelastet werden, wenn Messdaten von einer Vielzahl gleichartiger Datenerfassungsgeräte erfasst werden sollen, die jeweils in sporadischen Abständen Daten liefern. Hierbei kann es sich beispielsweise um Geräte handeln, die nicht kontinuierlich oder turnusmäßig Daten liefern, sondern nur anlässlich bestimmter Ereignisse.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind verschiedene Eingabeschnittstellen dazu ausgebildet, einen Warenumschlag betreffende Messdaten von verschiedenen Warenwirtschaftssystemen und/oder Kassensystemen als Datenerfassungsgeräten entgegenzunehmen. Diese Systeme eignen sich als Sensoren für indirekte Messungen an bestimmten Produktionsprozessen, die ansonsten schwierig messtechnisch beobachtbar sind.
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Ein Beispiel für einen solchen Produktionsprozess ist die Systemgastronomie. Hier werden Speisen aus industriell vorgefertigten Komponenten hergestellt, wobei jeweils auf individuelle Kundenwünsche reagiert werden muss. Neben einem möglichst großen Gesamtdurchsatz kann hier beispielsweise ein wichtiges Optimierungsziel sein, den Ausschuss durch Verderb vorgefertigter Ware zu minimieren. Im Warenwirtschaftssystem kann beispielsweise hinterlegt sein, wieviel Ware vorhanden ist und bis wann diese Ware jeweils zu verbrauchen ist. Die Kassensysteme sind Messinstrumente für die Kundenwünsche, aus denen wiederum Handlungsbedarf für den Produktionsprozess folgen kann. Beispielsweise kann die gleichzeitige starke Nachfrage nach zwei Gerichten, die eine vorgefertigte Komponente gemeinsam haben, zu einem Engpass bei dieser Komponente führen.
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Wie zuvor erläutert, können vorteilhaft verschiedene Eingabeschnittstellen dazu ausgebildet sein, Messdaten mindestens einer physikalischen Messgröße von industriellen Feldgeräten verschiedener Hersteller als Datenerfassungsgeräten entgegenzunehmen. Gerade in industriellen Produktionsanlagen sind häufig gewachsene Strukturen aus Feldgeräten verschiedener Hersteller anzutreffen. So kann beispielsweise der Katalog der insgesamt in der Anlage benötigten Feldgeräte so breit sein, dass er durch das Sortiment lediglich eines Herstellers nicht abdeckbar ist. In einem solchen Fall müssen von vornherein Feldgeräte mehrerer Hersteller miteinander kombiniert werden. Auch der spätere Ersatz von Feldgeräten kann die Beschaffung bei einem neuen Hersteller erforderlich machen, wenn beispielsweise das bisher verwendete Feldgerät abgekündigt wurde. Durch die modulare Gliederung des Interfaces in Eingabeschnittstellen und Abstraktionseinheiten wird der Aufwand für die Anpassung an Feldgeräte eines neuen Herstellers minimiert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Interface mindestens eine zusätzliche Eingabeschnittstelle, die dazu ausgebildet ist, Messdaten entgegenzunehmen, die sich bereits auf dem gemeinsamen Abstraktionsniveau befinden. Die Eingabeschnittstelle leitet diese Messdaten an die Ausgabeschnittstelle weiter. Auf diese Weise können Abstraktionseinheiten sowie durch diese Abstraktionseinheiten bewirkte Latenzzeiten eingespart werden. Im Übrigen ist diese zusätzliche Eingabeschnittstelle im Kontext des Interfaces verwendbar wie jede der anderen Eingabeschnittstellen, der eine Abstraktionseinheit nachgeschaltet ist.
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Wie zuvor erläutert, kann mindestens eine Eingabeschnittstelle als Lesegerät für einen von einem Datenerfassungsgerät beschreibbaren nichtflüchtigen Datenträger ausgebildet sein. Dies erleichtert die Einbindung von Datenerfassungsgeräten, die nicht über eine ständig nutzbare Online-Verbindung verfügen. Diese Eingabeschnittstelle kann insbesondere beispielswiese diejenige Eingabeschnittstelle sein, die Messdaten bereits auf dem gemeinsamen Abstraktionsniveau entgegennimmt. Der Aufwand für das Umsetzen der Messdaten auf das gemeinsame Abstraktionsniveau wird dann auf das Datenerfassungsgerät verlagert, das den nichtflüchtigen Datenträger beschreibt.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf ein System für die Erfassung, Speicherung und/oder Verarbeitung von Messdaten. Dieses System umfasst mindestens ein Interface, wie es zuvor beschrieben wurde. Weiterhin umfasst das System mindestens ein Speichersystem und/oder Verarbeitungssystem, das mit der Ausgabeschnittstelle des Interfaces verbunden ist.
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Wie zuvor erläutert, kann dieses System Messdaten, die von den verschiedensten Datenerfassungsgeräten kommen, gemeinsam verarbeiten und auswerten. Dabei ist bei der eigentlichen Speicherung und Verarbeitung nicht mehr relevant, von welchem Datenerfassungsgerät die Messdaten im Einzelnen gekommen sind.
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Umgekehrt kann jedoch die Struktur der Installation von Datenerfassungsgeräten ausgenutzt werden, um den Zugriff auf das Speichersystem zu beschleunigen. Wenn Messdaten für die weitere Auswertung benötigt werden, wird häufig nach Messdaten von einem bestimmten Datenerfassungsgerät gefragt, weil etwa ein bestimmter Aspekt eines industriellen Produktionsprozesses abgefragt werden soll. Daher umfasst in einer vorteilhaften Ausgestaltung das Speichersystem eine Master-Datenbank zur Aufnahme aller Messdaten auf dem gemeinsamen Abstraktionsniveau. Weiterhin ist eine mit der Master-Datenbank synchronisierte fragmentierte Datenbank vorgesehen, wobei die Shards der fragmentierten Datenbank jeweils einem oder mehreren konkreten mit dem Interface verbundenen Datenerfassungsgeräten zugeordnet sind.
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Die Funktionalität des Interfaces, und/oder des Systems, kann insbesondere beispielsweise computerimplementiert sein. Das Interface, bzw. das System, kann somit ganz oder teilweise in einer Software verkörpert sein, die auf einem oder mehreren Computern läuft. Daher bezieht sich die Erfindung auch auf ein Computerprogramm mit maschinenlesbaren Anweisungen, die, wenn sie auf einem oder mehreren Computern ausgeführt werden, den oder die Computer zu dem zuvor beschriebenen Interface, und/oder zu dem zuvor beschriebenen System, aufwerten. Insbesondere kann das Computerprogramm bereits vorhandene Schnittstellen des oder der Computer zu physikalischen und/oder logischen Eingabeschnittstellen des Interfaces machen. In diesem Zusammenhang sind auch Embedded-Systeme und Steuergeräte für technische Systeme, die maschinenlesbare Anweisungen ausführen können, als Computer anzusehen.
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Ebenso bezieht sich die Erfindung auch auf einen maschinenlesbaren Datenträger, und/oder auf ein Downloadprodukt, mit dem Computerprogramm. Ein Downloadprodukt ist ein über ein Datennetzwerk übertragbares, d.h. von einem Benutzer des Datennetzwerks downloadbares, digitales Produkt, das beispielsweise in einem Online-Shop zum sofortigen Download feilgeboten werden kann.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung hierdurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:
- 1: Ausführungsbeispiel des Interfaces 1;
- 2: Ausführungsbeispiel des Systems 20.
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1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des Interfaces 1. Das Interface 1 umfasst drei Eingabeschnittstellen 2a-2c, die über Warteschlangen 8a-8c mit Abstraktionseinheiten 4a-4c verbunden sind. Die Abstraktionseinheiten 4a-4c sind mit der Ausgabeschnittstelle 5 des Interfaces 1 verbunden. Weiterhin ist auch eine Eingabeschnittstelle 2d vorgesehen, die direkt mit der Ausgabeschnittstelle 5 verbunden ist. Die Eingabeschnittstellen 2a-2d sind mit Datenerfassungsgeräten 3a-3d verbindbar.
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In dem in 1 gezeigten Beispiel liefern die Datenerfassungsgeräte 3a-3c jeweils Messdaten 10a-10c in verschiedenen Formaten und/oder Maßeinheiten, die nicht direkt miteinander vergleichbar sind. Wenn die Messdaten 10a-10c durch die Warteschlangen 8a-8c in die Abstraktionseinheiten 4a-4c gelangen, werden sie dort zu Messdaten 10a*-10c* umgesetzt, die sich auf einem gemeinsamen Abstraktionsniveau 11 befinden. Die von dem Datenerfassungsgerät 3d gelieferten Messdaten 10d hingegen befinden sich bereits auf dem gemeinsamen Abstraktionsniveau 11 und können daher direkt von der Eingabeschnittstelle 2d an die Ausgabeschnittstelle 5 durchgereicht werden.
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Die Ausgabeschnittstelle 5 des Interfaces 1 ist mit einem Speichersystem 6 und/oder einem Verarbeitungssystem 7 verbindbar. Das Speichersystem 6, und/oder das Verarbeitungssystem 7, erhält Messdaten 10a*-10c* und 10d, die sich allesamt auf dem gemeinsamen Abstraktionsniveau 11 befinden. Diese Messdaten 10a*-10c* und 10d können daher beliebig miteinander verglichen und gemeinsam verarbeitet werden.
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2 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des Systems 20. Dieses System 20 umfasst zusätzlich zu dem Interface 1 noch ein Speichersystem 6 und ein Verarbeitungssystem 7. Das Speichersystem 6 ist direkt mit der Ausgabeschnittstelle 5 des Interfaces 1 verbunden. Das Verarbeitungssystem 7 bezieht in dem in 2 gezeigten Beispiel die Messdaten 10a*-10c* und 10d auf dem gemeinsamen Abstraktionsniveau 11 von dem Speichersystem 6.
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Sowohl das Speichersystem 6 als auch das Verarbeitungssystem 7 können die Messdaten 10a*-10c* und 10d, die sich auf dem gemeinsamen Abstraktionsniveau 11 befinden, unabhängig von ihrer konkreten Herkunft speichern und verarbeiten. Insbesondere können diese Messdaten 10a*-10c* und 10d in dem Verarbeitungssystem 7 beliebig zusammengeführt und miteinander verglichen werden.
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Lediglich zur Beschleunigung von Zugriffen durch das Verarbeitungssystem 7 umfasst das Speichersystem 6 in dem in 2 gezeigten Beispiel eine Master-Datenbank 61, die alle Messdaten 10a*-10c* und 10d auf dem gemeinsamen Abstraktionsniveau aufnimmt, sowie eine mit der Master-Datenbank 61 synchronisierte fragmentierte Datenbank 62. Die fragmentierte Datenbank 62 umfasst Shards 62a-62d, die jeweils den Datenerfassungsgeräten 3a-3d zugeordnet sind. Das heißt, in den Shards 62a-62c werden die im Interface 1 von den Abstraktionseinheiten 4a-4c umgesetzten Messdaten 10a*-10c* gespeichert, und im Shard 62d werden die Messdaten 10d gespeichert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Interface
- 2a-2d
- Eingabeschnittstellen des Interfaces 1
- 3a-3d
- Datenerfassungsgeräte, verbindbar mit Schnittstellen 2a-2d
- 4a-4c
- Abstraktionseinheiten des Interfaces 1
- 5
- Ausgabeschnittstelle des Interfaces 1
- 6
- Speichersystem, verbindbar mit Ausgabeschnittstelle 5
- 61
- Master-Datenbank des Speichersystems 6
- 62
- fragmentierte Datenbank des Speichersystems 6
- 62a-62d
- Shards der fragmentierten Datenbank 62
- 7
- Verarbeitungssystem
- 8a-8c
- Warteschlangen in Interface 1
- 10a-10d
- Messdaten, geliefert von Datenerfassungsgeräten 3a-3d
- 10a*-10c*
- durch Abstraktionseinheiten 4a-4c umgesetzte Messdaten 10a-10c
- 11
- gemeinsames Abstraktionsniveau für Messdaten 10a*-10c*, 10d
- 20
- System mit Interface 1 und Speichersystem 6/Verarbeitungssystem 7
