Die Projektierung und Programmierung von Automatisierungslösungen stellt in der Praxis eine eigenständige Informatikdisziplin dar. Es kommen teilweise sehr spezifische Programmiersprachen zum Einsatz und die umgebende Physik – von der Mechanik über die Bussysteme bis hin zur Sensor-Elektronik – erfordert ein sehr breites und interdisziplinäres Verständnis. Speziell bei aktuellen Multitasking-Strukturen und dem Vordringen in den Sub-Millisekundenbereich unter harter Echtzeit sind die Anwender in puncto „Beobachtung“ der Systeme mit ganz speziellen Herausforderungen konfrontiert.

Bei zeitgemäßen Entwicklungsprozessen empfiehlt sich durchgehend eine iterative Vorgangsweise mit kurzen Implementierungsphasen gefolgt von unmittelbarer Verifikation. Damit diese Verifikation auch sinnvoll und vor allem effizient erfolgen kann, sind Tools gefragt, die sich leider oft nicht am Arbeitsplatz des Steuerungsprogrammierers finden. „Echte“ Oszilloskope oder Logikanalysatoren sind teuer und damit meist Mangelware und nicht zuletzt in der Handhabung viel zu aufwendig. Im Programm-Debugger oder in einer Variablen-Watchlist hingegen sind lediglich aktualisierte Istwerte im Bereich von 100 bis 300 ms zu sehen. Zeitbereich-Darstellungen über HMI/Scada-Tools, OPC-Freeware oder Messtechnik-Pakete sind in der Regel ebenfalls zu langsam in der Abtastung und mitunter sehr kostspielig. Die aus dieser Problematik resultierenden „blinden Flecken“ im Zeitbereich – Stichwort nicht sichtbare Spikes/Glitches – können jedoch sehr gefährlich sein. Gerade wenn es um industrielle Echtzeit geht, muss folglich die Messung über Hardware-Schnittstellen oder eben direkt am Echtzeit-System erfolgen.

Engagierte Software-Entwickler können sich dann selbst helfen und den Code mit zusätzlichen Ausgaben anreichern, also diesen „instrumentieren“. Dies reicht von spontanen ergänzten Ausgabebefehlen – die hoffentlich wiederauffindbar sind! – über mehrstufige Debug-Levels bis hin zum Schreiben von hochauflösenden Zeitreihen in eine Datei. Problematisch ist dabei in erster Linie der Umstand, dass der Nutz-Code verändert wird. Durch diese Anpassungen können Fehler hineinrutschen, das Zeitverhalten kann sich verändern oder es wird eben bei der Auslieferung einfach „irgendwas vergessen“.

Der Alltag bei Inbetriebnahme und Service

Hochgenau: Zeitliche Zusammenhänge unterschiedlicher Prozessvariablen werden analysiert; mit dem Messcursor können die exakten Werte ausgelesen werden.

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Alles, was bei der Angebotserstellung, im Projektverlauf der Entwicklung und in der Produktion schief geht, darf letztendlich der Inbetriebnahme-Techniker im Nachhinein versuchen auszubügeln. Die Folge: Permanenter Zeitdruck, unterschiedlichste Arbeitsumfelder und fast stündlich neue Überraschungen. Neben starken Nerven sind hier zuverlässige Tools gefragt. Und weil manche Komponenten sich überhaupt erst auf der Baustelle „treffen“ und nicht immer alles so vorgefunden wird, wie es vielleicht spezifiziert war, muss der Inbetriebnehmer nicht nur montieren, verdrahten und Signalchecks durchführen, sondern zusätzlich die Analyse von Zeitverhalten, Softwarekorrekturen sowie Einstellung von Reglern vornehmen. Jedes Signal und jede Variable live im Zeitverlauf ansehen zu können, ist daher essenziell. Treten gröbere Fehler auf, ist obendrein ein vollständiger und einfacher Datenaustausch mit den Experten in der Zentrale gefragt.

Nicht viel anders sieht es oft bei Anlagen aus, die bereits seit Jahren in Betrieb sind. Treten hier Fehler auf, braucht es schnellstmöglich eine Lösung, um teure Stillstände unter allen Umständen zu vermeiden. Um in diesen Fällen also innerhalb kürzester Zeit reagieren zu können, sind transparente Informationen über das (Fehl-)Verhalten der Anlage essenziell. Und selbst wenn nicht gleich der „worst case“ einer stehenden Anlage eintritt, sondern es sich „nur“ um sporadische Phänomene handelt, deren Ursache gefunden werden muss, kann die Fehlersuche in einer zeitraubenden Analysephase enden.

Um all den genannten Problemen vorzubeugen, empfiehlt sich der Einsatz eines Datenrekorders, der auf bestimmte Ereignisse hin konfigurierbar ist. Die Daten lassen sich dann nach Auftreten des Ereignisses abrufen und es entfallen die krampfhaften Versuche, gewisse Konstellationen während eines Vor-Ort-Einsatzes zu reproduzieren.

Oszilloskop als Software-Lösung

Zentraler Aspekt der Architektur von Scope 3 ist die portable Datenbank, die zwischen Engineering-PCs und Steuerungen ausgetauscht werden kann.

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Ein solcher Datenrekorder ist beispielsweise Kernbestandteil des Software-Oszilloskops „Scope 3“ von Bachmann Electronic. Als nachinstallierbares Software-Modul auf der M1-Steuerung erfordert es keine Änderungen an bestehenden Applikationen. Mit Abtastraten von 100 μsec bis 60 Minuten sind sowohl Echtzeit-Messungen als auch Langzeit-Beobachtungen über Wochen ohne Beeinflussung der eigentlichen Applikationen möglich. Die Verwendung von echtem Multitasking erlaubt dabei mehrere Aufzeichnungen parallel mit unterschiedlichen Abtastraten und Startbedingungen, wobei neben digitalen und analogen E/A-Kanälen beliebige Programmvariablen erfasst werden können.

Über unterschiedliche Typen von Trigger-Bedingungen ist im Bedarfsfall eine Aufzeichnung nach Fehlern oder besonderen Ereignissen realisierbar; mittels Pre-Triggerung und geeigneter Online-Puffer lässt sich darüber hinaus die Vorgeschichte einfach erfassen. Der autonom arbeitende Datenrekorder archiviert die Aufzeichnungen optional in eine lokale Datenbank, die Daten liegen so jederzeit zur Abholung bereit. Über Schnittstellen des Software-Moduls kann ein Applikationsprogramm steuerungsseitig ebenso dazu verwendet werden, automatisiert Daten auszulesen und zum Beispiel per Email zu versenden.

Auf dem Engineering-PC oder Service-Laptop befindet sich als Pendant zum Datenrekorder die Arbeitsoberfläche für den Anwender. Im Fall von Scope 3 ist es möglich, Zeitverläufe sowohl live als Trendkurven darzustellen, als auch frühere Aufzeichnungen auf den PC zu laden und dann offline zu analysieren. Über ein Inhaltsverzeichnis kann der Anwender selektiv zwischen den Aufzeichnungen wählen und die interessanten Daten in das Diagramm laden. Zur Erhöhung der Übersicht­lichkeit sind mehrere Y-Achsen konfigurierbar. Darüber hinaus können mit einem Klick die Kurven einfach im Stacked-Plot – sprich jede Zeitreihe in eigenem Diagrammbereich – angesehen werden. Mit der Positionierung von zwei Messlinealen (Cursor) lassen sich die Werte und Zeitbezüge der einzelnen Kurvenwerte dabei exakt bestimmen.

Mathematik unter der Haube

Mit Referenzkurven und gefluteten Bereichen zwischen Kurven lassen sich aussagekräftige Darstellungen erzeugen, die bei Fehlersuchen oder Prozessoptimierungen sofort die Ursachen ersichtlich machen.

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Hin und wieder reicht die reine Dar­stellung „roher“ I/O-Signale oder Prozess­variablen nicht aus, um einen Fehler offenzulegen. Für solche Fälle stehen im Software-Oszilloskop Berechnungsmethoden für Kurven zur Verfügung. Zu einfachen Manipulationen über Faktor und Offset stehen zusätzlich die Grundrechnungsarten Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division zweier Kurven zur Verfügung. Auch das Differenzieren und Integrieren von Kurven wird oft gebraucht und ist im Scope 3 auf jedes beliebige Signal anwendbar. Dabei ist es wiederum möglich, berechnete Kurven als Basis für neue, nahezu beliebig komplexe Berechnungen heranzuziehen.

Um dem Verursacher einer überlagerten Störung eines verrauschten Sensorsignals auf die Spur zu kommen, eignet sich mitunter die Zeitbereichsdarstellung weniger. Deshalb kann in der Software direkt eine Transformation in den Frequenzbereich mittels FFT auf jede Kurve angewendet werden. Markante spektrale Linien und die exakte Messung der zugehörigen Frequenzen liefern dann weitere Anhaltspunkte dafür, ob eine Komponente der Kinematik oder beispielsweise ein EMV-Thema ursächlich für die Störung ist. Last but not least besteht für spezifische Anforderungen die Möglichkeit, eigene Berechnungsmethoden in das Werkzeug zu integrieren.

Hilfestellung aus der Ferne

Über die Ansicht „Stacked Plot“ wird die Aufzeichnung trotz mehrerer Kurven übersichtlich, was eine detaillierte Analyse der Signale mit den Messcursorn erlaubt.

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Steigender Wettbewerbs- und Kostendruck beschleunigen die Technologiezyklen und erhöhen die Komplexität vieler Maschinentypen derart, dass Inbetriebsetzungs- und Serviceteams gar nicht rasch genug vollständig qualifiziert werden können. Das Hinzuziehen von Experten wäre die naheliegende Konsequenz – nur sind diese erstens Mangelware und zweitens möchte man ihre kostbare Zeit nicht in Reisetätigkeit investieren. Auch in diesen Fällen kann das Scope 3 einen wertvollen Beitrag leisten, indem sich vorbereitete Auf­zeichnungskonfigurationen als einzelne Datei per E-Mail versenden und mit wenigen Klicks auf das betreffende System aufspielen lassen. Alle benötigten Informationspunkte samt Triggerbedingungen, Zyklen und deren Dauer sind dabei schon vorab von der Fachkraft aus der Zentrale korrekt eingestellt worden. Nach der Beendigung der Datenaufzeichnung kann die gleiche Datei wieder zu Untersuchungen zurückgesendet werden.

Durch effiziente Speicherformate bleiben die Dateien zudem relativ klein und lassen sich so gut transferieren. Da sich in dieser einzelnen Datei nicht nur Daten sondern auch die Konfiguration befinden, werden alle Einstellungen – angefangen von der Achskonfiguration bis hin zu Zoom-Bereichen und Cursor-Positionen – bei der Ansicht der Daten berücksichtigt. Denn nur wenn jeder Beteiligte die exakt gleichen Darstellungen vor sich hat, können Diskussionen und Hilfestellungen per Telefon wirklich effizient ablaufen.

Autor: Alexander Höss ist Product Manager bei Bachmann Electronic.