Daten verarbeiten und Kommunikation

Sensoren liefern Daten über den Prozess, liefern Messwerte.

Diese Daten mit geeigneten Algorithmen zu filtern und vorverarbeiten. Daten analysieren und bewerten. Daten optimieren und sie dann effizient speichern. Das ist unsere große Leidenschaft.

Wohin mit all den Daten und wie schaut man sie an? Daten visualisieren, sie grafisch oder tabellarisch aufzubereiten und richtig zu präsentieren. Datenbanklösungen bilden einen geordneten und strukturierten sicheren Speicherplatz für die Daten. Dieser Herausforderung stellen wir uns in zahlreichen unserer Projekte immer wieder aufs Neue.

Daten haben eine Quelle: Sensoren, Messfühler, kompakte Microcontroller.

Daten haben nach ihrer Verarbeitung ein Ziel: sie steuern und regeln Prozesse oder werden visualisiert. Dazu müssen die Komponenten miteinander reden und sich verstehen.

Hier kommt unser Know-how über gängige Protokolle und Bussysteme (z.B. OPC UA, MQTT, Ethernet, TCP/IP, CAN, RS485, RS232) und unser fundiertes Verständnis für Gerätekommunikation voll zum Einsatz.

Begriffe

OPC UA (OPC Unified Architecture) ist ein Standard für den Datenaustausch als plattformunabhängige, service-orientierte Architektur (SOA). Beim industriellen Einsatz übertragen Maschinen Ihre Daten an einen OPC UA Server, welcher in Verbindung mit einem Prozessleitsystem steht oder dieses selbst darstellt.

MQTT ist ein offenes Netzwerkprotokoll für Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M), das die Übertragung von Telemetriedaten in Form von Nachrichten zwischen Geräten ermöglicht.

Ethernet ist ein kabelgebundenes Netzwerk (LAN).

TCP/IP steht für Transmission Control Protocol / Internet Protocol. Diese Bezeichnung steht für eine Gruppe von Netzwerkprotokollen. Das TCP Protokoll ist ein verbindungsorientiertes Protokoll, um Daten fehlerfrei zwischen zwei Verbindungspartnern auszutauschen. Das TCP Protokoll bedient sich dabei der darunter liegenden IP Protokollschicht. Durch diese Kombination sind problemlos Verbindungen in riesigen Netzwerken wie dem Internet möglich.

CAN bzw. CAN-Bus steht für Controller Area Network und ist ein serielles Bussystem und gehört zur Kategorie der Feldbusse. CAN-Bus ist heute der Standard zur Kommunikation von Baugruppen in Automobilen und wird häufig auch in industriellen Anlagen verwendet.

RS485 und RS232 sind einfache serielle Kommunikationsschnittstellen. Die RS485 oder EIA-485 ist hierbei ein Industriestandard für einfache asynchrone serielle Datenübertragung zwischen Geräten. Durch symmetrische Leitungsführung mit verdrillten Leitungen und die Verwendung von Leitungsabschlusswiderständen sind Entfernungen von bis zu 1200m Leitungslänge möglich.

Messsignalverarbeitung und Datenvisualisierung

Die Applikationen von industriellen Messgeräten lesen Ihre Daten von zahlreichen Sensoren.

Hierbei ist es häufig sinnvoll oder auch notwendig, Spreu und Weizen zu trennen, sprich: die wesentlichen Informationen aus einer Datenflut zu extrahieren und weiterzuverarbeiten. Unnütze Bestandteile des Sensorsignals wie Rauschen, Oberwellen, Verzerrungen werden entfernt.

Oft besteht auch die Situation, dass die relevanten Daten in einem Messsignal vorhanden sind, eine direkte Interpretation aber nur schwer oder gar nicht möglich ist. Hier kommen geeignete Transformationen des Eingangssignals ins Spiel.

Betrachten wir ein einfaches Beispiel: Ein akustisches Messgerät erhält Daten von einem Mikrofon und soll nun ein Steuerungssignal auslösen, wenn der Ruf einer Goldammer ertönt und beim Ruf der Kohlmeise soll ein anderes Steuersignal geschaltet werden. Nun stellt sich die Frage, wie löst man diese Aufgabe? Der Computer hat keine Ohren und die alleinige Interpretation der Audiosamples führt hier nicht wirklich weiter.

Wie kann der Computer den typischen Ruf der Goldammer (si-si-si-si-si-si zii-düüh) vom Klang des Rufs der Kohlmeise unterscheiden? Die Lösung liegt in der Transformation.

Folgender Weg führt zum Ziel:
  • Transformation des Audiosignals über FFT (Fouriertransformation) in ein Audiospektrum
  • Bewertung des Audiospektrums: Reduktion der Frequenzbänder, Abbildung auf MEL-Scala
  • Weitere Datenreduktion der logarithmischen MEL Scala und Dekorrelation, das liefert uns die MFCC (Mel Frequency Cepstral Coefficients)
  • Zusammenfassung aufeinanderfolgender Audiospektren (einzelne MFCC Vektoren) zu einer Matrix
  • Konvertierung dieser Matrix über eine geeignete Farbskala (ColorMap) in ein Bild (Image)
  • Jetzt haben wir die Brücke geschlagen zur Bildverarbeitung / Bilderkennung.
    Wir haben es geschafft, unsere Vogelstimmen in ein geeignetes Bild zu transformieren.
  • Nutzung eines KI-Frameworks (künstliche Intelligenz) zur Bewertung / Erkennung der Bilder.

Interesse an etwas mehr Info hierzu? Dann lesen Sie den folgenden Artikel

Messsignalverarbeitung – ein kleines praktisches Beispiel

ein Beispiel aus der Toolbox

Datenverarbeitung, Datenbanklösungen

Diese Daten mit geeigneten Algorithmen zu filtern und vorverarbeiten. Daten analysieren und bewerten. Daten optimieren und sie dann effizient speichern. Das ist unsere große Leidenschaft.

Datenbanklösungen bilden hierfür einen geordneten und strukturierten sicheren Speicherplatz für die Ablage der Daten.

Auch für Geräte mit begrenzten Ressourcen gibt es kleine schlanke Datenbanklösungen wie z.B. SQLite, welche die Entwicklung einer Geräteapplikation deutlich vereinfachen.

Unsere langjährige Erfahrung hierbei ist, dass bei der Entwicklung einer Gerätesoftware häufig versucht wird, ein eigenes Speichermanagement für Daten zu implementieren, weil man der Meinung ist, das Gerät habe zu wenig Ressourcen für eine Datenbank. Im Endeffekt wird die Entwicklung einer eigenen Lösung meistens deutlich aufwendiger und ist am Ende auch nicht besser, als eine schlanke Datenbanklösung.

Wir haben Erfahrung auf diesem Gebiet. Profitieren Sie davon und sparen Sie wertvolle Entwicklungszeit.

Protokolle, Bussysteme, Peripherie

Im Rahmen der Konnektivität sind heutige technische Messgeräte problemlos integrierbar in bereits bestehende Prozessumgebungen und Netzwerke.

Im Laborbereich können das LIMS-Systeme (Labor-Informations- und Management-System) sein.

In einem Produktionsprozess kann das ein Prozessleitsystem mit einem Industriestandard wie OPC UA und/oder MQTT sein.

Wir befinden uns im Zeitalter Industrie 4.0. Heutige Geräte kommunizieren häufig auch bereits mit Cloud-basierten API’s und IIoT-Services.

Geräte stellen darüber hinaus Ihre Datensätze noch über weitere geeignete Schnittstellen (Netzwerk, USB) zusätzlich zur weiteren Nutzung bereit.