Über 200.000 Entwicklerstunden – Erfolgsbeispiele von Audi bis ZIEHL-ABEGG SE

Weltweite Feldtests von Heizgeräten

Anforderung

Feldtests sind ein wertvolles Instrument bei der Entwicklung und Erprobung neuer Heizsysteme. Bei Bosch Thermotechnik werden über den Zeitraum einer Heizperiode hierbei Daten bei Endanwendern erhoben, die anschließend zur weiteren Optimierung des Produktes oder einer Software-Anpassung herangezogen werden können.  Um möglichst aussagekräftige Ergebnisse über verschiedene Nutzungsprofile und den internationalen Einsatz der Systeme zu gewinnen, werden die Systeme räumlich weit verteilt verbaut. Die Ergebnisse müssen den verschiedenen Entwicklungs-Standorten im Anschluss zentral zur Verfügung gestellt werden. Folgende Daten werden dazu an den Gasthermen-Prototypen erfasst:

Herausforderungen bei der Erprobung im Feld sind die Kosten und der Zeitaufwand von Service-Einsätzen vor Ort. Diese sind nötig, um den Systemstatus zu überprüfen, Daten zu erfassen und Instandsetzungen durchzuführen, falls Schwierigkeiten bei einem Prototypen auftreten sollten. Aus diesen Gründen wurde eine Lösung gesucht, die eine durchgängige Erfassung der Werte an den Heizsystemen und zentrale Auswertungs- und Fernsteuer-Möglichkeiten bietet.

Konkrete Ziele und Anforderungen hierbei waren:

  • Kosten- und Zeiteinsparung
  • Möglichkeit zur schnellen Fehleranalyse
  • Einheitliches Tool über alle Entwicklungsstandorte
  • Komfortable Benutzerverwaltung
  • Einfache Konfiguration und Auswertung über Web-Applikation

Die Lösung

Um diese Anforderungen abdecken zu können, war die Entwicklung und Umsetzung eines angepassten und leistungsfähigen Konzeptes notwendig (Bild 1). Jedem Prototypen wird ein Logger („Erfassungssystem“) beigestellt, der für Erfassung und Pufferung der Messdaten zuständig ist. Via Internetzugang werden die Daten mit einem zentralen Cloud-Server synchronisiert. Dieser bietet die Schnittstelle zur Mess-Datenbank und eine Web-Benutzeroberfläche, die es den Entwicklern erlaubt, Konfigurationen der Logger anzupassen und vorhandene Messdaten auszulesen, zu analysieren und zu vergleichen.

Die Logging-Plattform

Am Heizsystem sollen zahlreiche Messungen und Fernsteuer-Funktionen durchgeführt werden können. Dafür ist ein robustes, autarkes Logging-System mit diversen Schnittstellen notwendig (Bild 2). Mit dieser Zielsetzung wurder der WebLogger konzipiert.

Als Systembasis kommt eine SingleBoard-RIO-Platine des Typs 9641 zum Einsatz. Diese Embedded-Plattform bietet die für den Dauereinsatz notwendige Robustheit der Echtzeit-Umgebung LabVIEW Real-Time. Des Weiteren lassen sich der interne, digitale Bus des Heizsystems und eine RS-485-Schnittstelle für Modbus-Geräte einfach mit LabVIEW FPGA umsetzen.

Signale werden über verschiedene Vorbeschaltungen auf einer angepassten Tochterplatine an die digitalen und analogen Schnittstellen des sbRIO geführt: Dies sind Zählimpulse per S0, 0-20 mA-Stromsignale, Analogspannungen von 0-30V. Zudem sind Relais verbaut, um den Netzwerk-Router sowie den Prototypen schalten zu können. Ein Wechselkontakt dient zur Fernsteuerung eines Reset-Tasters am Heizsystem. Die Tochterplatine bietet zudem eine SD-Karte zur Pufferung von Messungen, falls eine Übertragung der Daten nicht stattfinden kann. Der Router kann wahlweise über eine vorhandene DSL-Verbindung oder über Mobilfunk ans Internet angebunden werden.

Messtechnisch werden mit Hilfe eines NI 9213-Moduls bis zu 16 Thermoelemente eingelesen, die an verschiedenen Messpunkten am Heizsystem angebracht werden können. Außerdem wird die Qualität der Spannungsversorgung sowie optional die Leistungsaufnahme des Systems erfasst (Bild 3).

Das Sicherheits-Konzept

Um den Dauerbetrieb des Gerätes zu gewährleisten, kommt ein Hardware-Watchdog zum Einsatz, der im Fehlerfall das Embedded-System spannungsfrei schaltet und so den Logger neu startet. In der sbRIO-Firmware ist zudem ein Watchdog integriert, der die Funktionalität der verschiedenen Software-Module sicherstellt. Ebenso ist ein Recovery-Modus für den Router hinterlegt, um Fehlkonfiguration der Interneteinstellungen auszuschließen. Die Datenströme werden in einem sicheren binären Format zum Server übertragen, um Daten-Missbrauch vorzubeugen.

Das Daten-Konzept

Wie in Bild 4 gezeigt, überträgt eine skalierbare Zahl von Loggern im weltweiten Versuchsfeld Live-Daten sowie Messdaten-Pakete an die Cloud-Datenbank. Auf dem Server können auch Firmware-Updates für die WebLogger hinterlegt werden. Einstellungen zur Konfiguration und Anwendung werden von den Loggern am Server abgefragt und von der Firmware umgesetzt.

Die Web-Plattform

Ziel der Anwendung ist, von verschiedenen Entwicklungsstandorten mit einem einheitlichen Werkzeug den Status und die Messdaten der Prototypen anzuzeigen und zu analysieren. Um einen möglichst universellen Einsatz zu gewährleisten, werden übliche Web-Technologien verwendet, die ohne Plugins – lediglich unter Verwendung von HTML und JavaScript - auf einem beliebigen Rechner mit Internetzugang genutzt werden können. Eine Anzeige auf Mobilgeräten wäre damit ebenfalls denkbar. Es ist eine umfangreiche Benutzerverwaltung vorhanden, die gegen Zugriff Dritter schützt. Jeder Anwender kann so in einem Web-Browser die Daten der ihm zugeordneten Logger betrachten, analysieren und exportieren (Bild 5).

Die Zukunft

Mit der Erfahrung aus zahlreichen Monitoring-Projekten konnte die Firma DATA AHEAD eine wiederverwendbare Plattform schaffen, die den typischen Herausforderungen in diesen Anwendungen begegnet:

  • Effizienter Upload kleiner Datenmengen von verteilten Messstellen als verschlüsselter Binär-Stream
  • Einfach zugreifbare API, um die Daten zentral verwalten und analysieren zu können

In typischen Aufgabenstellungen zum verteilten Monitoring kann diese neue „No SQL“-basierende Plattform „daqloud“ sofort eingesetzt werden. Einschränkungen aufgrund von festen Tabellen gehören damit der Vergangenheit an. Durch diesen Flexibilitäts-Gewinn und die noch bessere Skalierbarkeit werden zukünftige Entwicklungen im Feldversuchs-System die „daqloud“-Speicherplattform nutzen. Für diese sind LabVIEW-Wrapper verfügbar, sowie ein DIAdem-Datenplugin zur Offline-Analyse.

Zusammenfassung

Das von Bosch Thermotechnik mit DATA AHEAD erarbeitete Konzept der Feldversuche ist erfolgreich im Einsatz und wird weiterhin ausgebaut. Es erlaubt durch die kontinuierliche Erfassung relevanter Betriebs-Parameter und schnelle Analyse eventueller Störungen die Reduzierung der regelmäßigen Anlagenbesuche. Die Architektur macht eine kosteneffiziente Verbesserung der Erprobung im Feld möglich. Der Einsatz von NI SingleBoard RIO als Systembasis sowie LabVIEW als Entwicklungswerkzeug trugen wesentlich dazu bei, schnell von der Konzipierung zur Implementierung  des WebLoggers zu gelangen. Unter anderem war es so problemlos möglich, den Heizungs-Bus im FPGA umzusetzen, sowie dank LabVIEW Real-Time Web- und Datenbanktechnologien zusätzlich zur Messtechnik auf die Embedded-Plattform zu integrieren.