Einsatz eines PAC mit LabVIEW Real-Time zum Monitoring von Klimadaten

Author(s):
Dipl.-Ing. Holger Petzold - AMC - Analytik & Meßtechnik GmbH Chemnitz
Dipl.-Ing. René Helbig - AMC - Analytik & Meßtechnik GmbH Chemnitz

Industry:
Research

Products:
Real-Time Module, FieldPoint Real-Time Controllers, Real-Time

The Challenge:
Wiederaufbau der durch Blitzschlag und Hochwasser zerstörten Forschungsstation Melpitz des Leibnitz-Institutes für Troposphärenforschung e. V. Leipzig

The Solution:
Auf der Grundlage des PAC-Konzepts mit FieldPoint und LabVIEW 7.1 wurde eine vernetzte und dezentral aufgebaute Struktur zur Erfassung von Klimadaten realisiert.

Kurzfassung

Vorgestellt wird die komplette und durchgängige Softwareintegration im Bereich der Feld-, Prozess- und Leitebene eines Überwachungssystems für Klimadaten unter Verwendung eines PAC-Systems (Programmable Automation Controller) und LabVIEW. Mittels des Real-Time-FieldPoint-Systems und Datenloggertechnik werden umfangreiche Messreihen dezentral aufgezeichnet, gespeichert und in einem Leitrechner ausgewertet. Dabei wurde das PAC-System unter Verwendung der grafischen Entwicklungssoftware LabVIEW Real-Time programmiert. Damit wurde eine Langzeitstudie mikrometeorologischer sowie chemischer Umweltdaten für die Klimaforschung durchgeführt.

Zielstellung und Aufgaben

Das Ziel des Projektes war der Wiederaufbau der durch Blitzschlag und Hochwasser zerstörten Forschungsstation Melpitz des Leibnitz-Institutes für Troposphärenforschung e. V. Leipzig. Dabei mussten folgende Gesichtpunkte berücksichtigt werden:

1. Das Datenerfassungskonzept sollte flexibel, erweiterbar und zukunftsorientiert sein. Dabei waren verschiedene Sensortypen sowie modulare, untereinander vernetzte Funktionseinheiten der Erfassungsstandorte "Chemie-Box", "Meteorologischer Mast", "Gerüst" und "Strahlungsmessung" zu berücksichtigen.
   
2. Die Systemkomponenten sollten robust und für den Einsatz unter Aussenbedingungen geeignet sein, da die einzelnen Messstationen im Freien zu errichten waren.
   
3. Schwerpunkt sollte die Erarbeitung eines einheitlichen und erweiterungsfähigen Softwarekonzeptes sein, mit dem alle Komponenten in die aufzubauende Hardwarestruktur integriert werden und alle Funktionen auf einer einheitlichen Plattform realisiert werden konnten.
   
4. Die Steuerung der Analysatoren und die Messdatenerfassung in der Messstation "Chemie-Box" sollten als selbstständiger Prozess unter Echtzeitbedingungen ausgeführt werden, um eine Synchronität der Daten zu gewährleisten.

Die sich aus dieser Zielstellung ergebenden Aufgaben konnten optimal auf Basis des Konzeptes Programmable Automation Controller (PAC) gelöst werden [1].

Konzept der Überwachung von Klimadaten

Abbildung 1 zeigt den konzeptionellen Aufbau der Anlage mit dem zentralen Datenerfassungsrechner und dem dezentralen Steuerungs- und Messdatenerfassungssystem. In Abbildung 2 und 3 sind die Container der Zentrale sowie die Masten mit den dezentralen Messstationen zu sehen.

Für die Erfassung mikrometeorologischer Daten wurde ein spezialisiertes Datenloggersystem eingesetzt, welches in den unterschiedlichen Höhen über der Erdoberfläche die trockene und feuchte Temperatur, die Windrichtung und die -geschwindigkeit, die Bodentemperatur und den Bodenwärmefluss, Niederschlagsmengen und -art sowie verschiedene Strahlungsparameter (u. a. Globalstrahlung, Reflexstrahlung, atmosphärische Gegenstrahlung, photosynthetisch aktive Strahlung) erfasst. Rund um die Uhr werden unter beliebigen Witterungsbedingungen im Feldbetrieb Daten aus über 100 Messkanälen aufgezeichnet.

Prozessebene: Steuerung und Erfassung von chemischen Daten in einem PAC-System

Auf der Prozessebene wurden als modulares Steuer- und Erfassungssystem Module der Serie FieldPoint FP-2010 eingesetzt, die unter LabVIEW Real-Time programmiert wurden. Das Modulsystem wurde als Programmable Automation Controller (PAC) ausgelegt. Die Runtime-Applikation auf dem Controller arbeitet autark und unabhängig vom Leitrechner, erfasst die Messdaten und steuert die Ventile der Chemiebox, in der die Gaskonzentrationen von Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid, Schwefeldioxid und Ozon bestimmt werden. Weiterhin führen diese Module die zeitbezogene Zwischenspeicherung aller Werte und ihre Bereitstellung mit FTP-Protokoll über Ethernet aus. Abbildung 4 zeigt die Struktur dieses Systems.

Die Funktionalität der Realtime Anwendung auf dem PAC-System umfasste u. a. folgende Punkte:

• Steuerung von Magnetventilen in exakt definiertem 10s-Zeitraster,
• zeitsynchrone Erfassung von Analogwerten verschiedener Analysatoren (NOx-Konzentration, SO₂-Konzentration und O₃-Konzentration),
• zeitsynchrone Erfassung von Messwerten für die Bodenfeuchte,
• Vorverarbeitung der Daten und Bereitstellung in EXCEL-Datei.

Die Anbindung des PAC-Systems an die Leitebene erfolgt über Ethernet. Für die Montage der Komponenten wurde ein beheiztes und klimageregeltes Gefäßsystem entwickelt und aufgebaut. Der Anschluß der Sensoren und Aktoren an die Datenerfassungsmodule erfolgte auf der Grundlage eines umfangreichen Blitzschutzkonzeptes.

Leitebene: Zentrale Datenablage mit Auswertungsprogramm

Auf dem Leitrechner wurden mit Hilfe des Auswerteprogramms, das wiederum in der grafischen Entwicklungsumgebung LabVIEW Version 7.1 erstellt wurde, die dezentral gewonnenen Umweltdaten in einem einheitlichen Datenkonzept zeitbezogen zusammengeführt. Geschaffen wurde damit eine universelle Datensenke zur weiteren Auswertung und Interpretation der Klimadaten. Zusätzlich erfolgt eine Visualisierung der aktuellen und historischen Daten auf dem Leitrechner. Ausgewählte Datenreihen sind in den Abbildungen 5 und 6 dargestellt.

Ergebnisse

Die Lage der Forschungsstation, nordöstlich des Ballungsraumes Leipzig bei Torgau nahe der Elbe, erlaubt ihre luftchemische Charakterisierung als urbaner Hintergrund. Mit der Hauptwindrichtung Südwest werden Luftmassen maritimen Ursprungs über das Stadtgebiet Leipzig hinweg dorthin transportiert. Mit dem Wind aus Osten, der zweithäufigsten Windrichtung, werden kontinentale Luftmassen herantransportiert.

Die Station wurde 1992 als grenzschichtmeteorologische Station mit ausgewählten Spurengasmessungen (Schwefeldioxid, Stickoxide, Ammoniak und Ozon) und Quantifizierung von Eigenschaften troposphärischer Partikel in Betrieb genommen. Das vorrangige Ziel bestand zu dieser Zeit darin, die Veränderung der Konzentration und Deposition von Spurengasen zu verfolgen: Aufgrund des umfassenden Strukturwandels nach der deutschen Wiedervereiningung sanken im Ballungsraum Halle-Leipzig die Emissionen von Gasen und Stäuben.

Heute ist Meloitz zusätzlich ein Punkt im Messnetz des Umweltbundesamtes und internationale EMEP-Station (EMEP is a scientifically based and policy driven program under the Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution for international co-operation to solve transboundary air pollution problems). An der Melpitzer Station werden umfangreiche grössenaufgelöste Messungen zur chemisch-physikalischen Charakterisierung troposphärischer Partikel in Abhängigkeit von meteorologischen Parametern vor einem urbanen Hintergrund vorgenommen. Zur Erfassung der umfangreichen meteorologischen und spurengaschemischen Parameter, teilweise in mehreren verschiedenen Höhen über Grund, leistete das Datenerfassungssystem mit einem PAC-System von National Instruments auf der Softwareplattform von LabVIEW einen entscheidenden Beitrag.

Zusammenfassung

Auf der Grundlage des PAC-Konzepts mit FieldPoint und LabVIEW 7.1 konnte eine vernetzte und dezentral aufgebaute Struktur zur Erfassung von Klimadaten realisiert werden, deren Konfiguration und Programmierung auf einer einheitlichen Softwareplattform durchgeführt werden konnte. Diese erlaubt die Lösung aller Aufgaben zur Erfassung über ein Feldbussystem, der zeitsynchronen Speicherung, der Übertragung der Daten über Ethernet sowie der Visualisierung und Auswertung. Das PAC-Konzept zeichnet sich dabei durch eine hohe Zuverlässigkeit und Stabilität durch Verwendung einer Real-Time-Plattform aus.

Die typischen Eigenschaften eines PAC-Systems wie

• übergreifende Anwendungen auf einer Plattform
• einheitliche Entwicklungsumgebung für alle Hardware- und Softwarekomponenten
• herstellerunabhängige Netzwerkintegration für alle IT-Standards wie Ethernet TCP/IP, Internet u. a.
• robuste und stromsparende Ausführung für industriellen und breitgefächerten Einsatz

kamen in dieser Applikation tragend zur Anwendung und waren entscheidend für den Erfolg des Projekts.


[1] ARC Advisory Group, Inc. Programmable Automation Controller: A new Class of Systems Have Emerged, Information Bulletin 05.12.2002

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Dipl.-Ing. Holger Petzold
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