Plattform für die Zustandsüberwachung auf Basis von NI CompactRIO

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"Das echtzeitfähige Betriebssystem des NI cRIO-9068 auf Basis von Linux eröffnet völlig neue Möglichkeiten. Da das offene, echtzeitfähige Linux-Betriebssystem auf einem kommerziellen Controller ausgeführt wird, konnten innerhalb kürzester Zeit bestehende Softwarekomponenten auf Basis von Linux portiert werden. Damit haben wir mindestens drei Monate an zusätzlicher Entwicklungszeit eingespart."

- Wolfram Koerver, S.E.A GmbH

The Challenge:
Entwicklung einer universellen und kostengünstigen Lösung für die Zustandsüberwachung, z. B. für wiederkehrende Applikationen in vertikalen Anwendungen wie der Maschinen- oder Anlagenüberwachung. Hier ist die Modularität im Bereich der Sensoren und Anschlusstechnik unabdingbar.

The Solution:
Flexible, robuste Standardtechnologien für die schnelle und kostengünstige Entwicklung einer wettbewerbsfähigen Monitoring-Lösung. Einsatz des echtzeitfähigen Linux-Betriebssystems des NI cRIO-9068 zur nahtlosen Integration der nötigen Sicherheits-, Netzwerks- und Kommunikationsfunktionen. Integration eines GPS-Empfängers für die Zeit- und Positionsbestimmung innerhalb des Linux-Betriebssystems. Direkter Zugriff auf die Funktionen durch den LabVIEW-Programmierer oder Applikationsingenieur.

Author(s):
Wolfram Koerver - S.E.A GmbH

S.E.A. entwickelt für vertikale Anwendungen eine Zustandsüberwachungsplattform der nächsten Generation als neues Standardprodukt. Das robuste und gegen raue Umgebungen geschützte Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem SEA 3200 kann zur kontinuierlichen Überwachung von Sensor- und Maschinendaten eingesetzt werden. Es basiert auf dem neuen CompactRIO-Modul NI cRIO-9068 mit A/D-Wandlern von NI sowie zwei speziell entwickelten CompactRIO-Modulen für die drahtlose Kommunikation und die Systemüberwachung.

Das System ist für Anwendungen zur Strukturüberwachung an Brücken und Bauwerken konzipiert, die statischen Belastungen und Materialveränderungen unterliegen. Außerdem können damit z. B. geophysikalische Effekte im Tagebau überwacht werden. Die S.E.A. Datentechnik GmbH ist zwischen Köln und Bonn ansässig, wo im Zusammenhang mit den zahlreichen Rheinbrücken kurz- und mittelfristig sicher viele Überwachungsanwendungen erforderlich werden. Diese Brücken, wie etwa die bekannte Zoobrücke in Köln, die inzwischen für den Schwerlastverkehr gesperrt ist, sind besonders gefährdet für z. B. strukturelle Schäden.

Dank der Flexibilität bei der Konfiguration des Messsystems können verschiedene Messgrößen wie z. B. Beschleunigung, Abstand oder auch Oberflächentemperatur und -feuchtigkeit von verschiedenen Sensoren erfasst, vorverarbeitet und gespeichert werden. Die neuen Module SEA 9751 und SEA 9754 für CompactRIO wurden speziell dafür entwickelt, die erfassten Daten zusammen mit genauen GPS-Zeit- und -Positionsangaben drahtlos per Mobilfunknetz automatisch an den Standort des Anwenders zu übertragen.

Aufgrund der Tatsache, dass solche Messsysteme permanent und langristig fehlerfrei arbeiten müssen, wurde zusätzlich ein spezielles Überwachungsmodul für CompactRIO entwickelt (SEA 9210), welches die Stromaufnahme und Spannungsversorgung des Messsystems selbst, aber auch System- oder Umgebungstemperatur kontinuierlich messen und überwachen kann. Digitale Ein- und Ausgänge zur Vandalismuserkennung oder Alarmierung stehen ebenfalls zur Verfügung. Das System generiert automatisierte Alarme und benachrichtigt den Anwender z. B. per E-Mail oder SMS über den aktuellen Zustand, sodass der Anwender ggf. auch kurzfristig selbst eingreifen kann. Aufgrund der Vielfalt an möglichen Sensortypen und der offenen Anbindung bildet die Plattform eine perfekte Grundlage für andere Systementwickler oder Integrationspartner.

Wir sind besonders vom neuen Betriebssystem NI Linux Real-Time im cRIO-9068 begeistert, da wir Angström Linux bereits seit langem in unseren eigenen Produkten nutzen und über umfassendes Know-how mit dieser Art von Betriebssystem verfügen. Dies ist die wichtigste Eigenschaft, die NI mit dem neuen Controller bieten konnte. Wir werden die Vorteile des Linux-Ökosystems sicherlich in vielen Anwendungen umfassend nutzen.

Kosten für die Systementwicklung senken

Dank unserer langjährigen Erfahrung mit Linux konnten wir den Großteil der Modul- und Produktentwicklung sogar noch vor der offiziellen Markteinführung des Controllers fertig stellen. Daran wird deutlich, dass wir nicht nur ein neues Überwachungs- und Messsystem, sondern auch die zusätzlich benötigten CompactRIO-Steckmodule viel schneller entwickeln konnten. Aufgrund unseres Know-hows im Umgang mit Linux-Plattformen konnten wir die Entwicklungszeit erheblich verkürzen, wobei nur geringe Unterstützung durch NI notwendig war.

Kostengünstige Implementierung von Systemsicherheit

Die RIO-Entwicklungsgruppe bei S.E.A. sieht die VPN- und Firewall-Optionen am cRIO-9068 als eine der wichtigsten Eigenschaften der Plattform, weil dadurch keinerlei Kostenaufwand in Form von zusätzlicher Hardware für die Netzwerksicherheit entsteht. Wir planen auch den Einsatz von SSL- und SSH-Funktionalität für die sichere Verwaltung des Systems, aber auch zur Datenübertragung zu und von weiteren Zielgeräten. Besonders gut gefällt uns daran, dass die von uns ergänzten Sicherheitsfunktionen von Anwendern mit entsprechender Erfahrung direkt genutzt werden können – und zwar ohne bzw. nur mit wenig Unterstützung durch uns.

Implementierung flexibler Netzwerkanbindung und Kommunikation

Hierbei geht es nicht nur darum, dass Linux einen besseren Netzwerkstack bietet, sondern auch das komplette Routing und die Netzwerkkonfiguration übernimmt, was bisher von einem separaten Prozessor erledigt wurde. Dies funktioniert mit den bisherigen CompactRIO-Controllern zwar einwandfrei, allerdings sind dann spezielle Netzwerkkenntnisse seitens des Anwenders nötig, um Internet-Daten zwischen den verschiedenen Geräten zu routen. Für das neue cRIO-9068-System entwickelten wir dedizierte CompactRIO-Module, SEA 9751/9754, die über USB an den cRIO-9068-Controller angeschlossen werden. Dadurch stehen ein zusätzlicher Massenspeicher sowie die Netzwerkanbindung an 4G- und 3G-Mobilfunknetzwerke zur Verfügung. Ein weiterer freier USB-Anschluss steht für zusätzliche Erweiterungen bereit. Da das Modul logisch direkt in das Linux-Betriebssystem des cRIO-9068 integriert ist, können Daten direkt sowie erheblich schneller und einfacher übertragen werden. Ermöglicht wird dies durch eine USB-Anbindung mit 480 Mb/s, welche ca. fünfmal schneller ist als bei vergleichbaren Modellen und der neuen 4G-Technologie (LTE) Übertragungsraten bis zu 50 Mb/s erlaubt.

Einfache Erfassung zeitlich korrelierter Messungen mit GPS

Mit den neuen Modulen SEA 9751 und SEA 9754 wollen wir das Linux-Betriebssystem einsetzen, um die GPS-Funktionalität für die Zeit- und Ortsbestimmung zu nutzen. Der neue cRIO-9068 ermöglicht uns zukünftig, die NTP- und PTP-Zeitdienste noch einfacher einzusetzen und verteilte Messungen zeitlich korrelieren zu können. Dies kommt z. B. in der Geologie oder in Strukturüberwachungsanwendungen, aber auch im Energiesektor vor und ist jetzt erheblich einfacher möglich als mit der zuvor eingesetzten Plattform.

Insgesamt können wir jetzt eine Mess- und Überwachungslösung anbieten, die weniger kostet und besser integriert ist, als das mit der heute angebotenen Hard- und Software möglich wäre.

Author Information:
Wolfram Koerver
S.E.A GmbH

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