Architektur eines industriellen Datenhistorian-Systems: lokale vs. serverbasierte Datenerfassung

Warum ist die Historian-Architektur wichtig?

Industrielle Automatisierungssysteme erzeugen kontinuierlich Messwerte, Betriebszustände, Alarme und Produktionsereignisse. Diese Aufzeichnungen helfen Ingenieuren, Fehler zu untersuchen, Prozessbedingungen zu überprüfen und die Anlagenleistung zu verstehen.

Die Datenerfassung allein garantiert jedoch keine vollständige oder aussagekräftige Aufzeichnung der Vergangenheit. Netzwerkunterbrechungen, Serverwartungen, begrenzter Speicherplatz und ungeeignete Erfassungseinstellungen können zu Lücken führen.

Die Entscheidung zwischen einem maschinennahen und einem serverbasierten Historian sollte sich nach dem vorgesehenen Anwendungsfall richten. Die beiden Architekturen erfüllen unterschiedliche Anforderungen an Erfassung, Aufbewahrung und Analyse.

Ein maschinennaher Historian erfasst detaillierte Informationen in unmittelbarer Nähe der Produktionsanlagen. Ein serverbasierter Historian führt Aufzeichnungen aus mehreren Quellen zusammen und unterstützt umfassendere Analysen.

Was ist ein maschinennaher Historian?

Ein maschinennaher Historian erfasst und speichert Zeitreihendaten in der Nähe einer einzelnen Maschine, Fertigungszelle oder eines Steuerungssystems. Je nach Implementierung kann er Daten von SPSen und unterstützten industriellen Netzwerken beziehen. Zu den gängigen Datenquellen gehören Steuerungen wie der ControlLogix-SPS-Controller Allen-Bradley 1756-L1 und das Siemens-SPS-Steuerungsmodul 6ES7214.

Diese Anordnung ist nützlich, wenn Ingenieure detaillierte Aufzeichnungen zu einem Stillstand, einem Gerätefehler oder einer unerwarteten Ereignisabfolge benötigen.

• Maschinendiagnose: Bewahrt ausgewählte Steuerungswerte rund um Störungen und Produktionsunterbrechungen auf.
• Rückverfolgbarkeit: Verknüpft Prozessmessungen mit Produktionszyklen, Chargen oder einzelnen Produkten.
• Prozessverifizierung: Bewahrt Aufzeichnungen auf, anhand derer geprüft wird, ob die Betriebsbedingungen den festgelegten Anforderungen entsprachen.
• Lokale Datenerfassung: Verringert die Abhängigkeit von einer kontinuierlichen Kommunikation mit einem entfernten Historian-Server.

Lokale Datenerfassung kann die Ausfallsicherheit verbessern, wenn ein übergeordneter Server oder eine Netzwerkverbindung nicht verfügbar ist. Dieser Vorteil hängt jedoch von der tatsächlichen Architektur des Historians und dem verfügbaren Speicherplatz ab.

Ingenieure müssen Speicherkapazität, Datenexportmethoden, Erfassungsleistung und Wiederherstellungsverhalten überprüfen. Lokale Speicherung schließt nicht alle möglichen Fehlerursachen aus.

Was ist ein serverbasierter Historian?

Ein serverbasierter Historian erfasst Verlaufsdaten aus mehreren Produktionsanlagen und anderen unterstützten Datenquellen. Typischerweise bietet er umfangreichere Möglichkeiten für Berichte, Trends, Speicherung und Analyse.

Anlageningenieure können die Anlagenleistung vergleichen, wiederkehrende Produktionsverluste untersuchen und Prozessmesswerte verschiedener Maschinen miteinander in Beziehung setzen.

Zentralisierte Historian-Systeme unterstützen auch Anwendungen, die Betriebsaufzeichnungen mit Fertigungs- oder Geschäftsdaten kombinieren. Dadurch lassen sich Prozessverhalten, Produktionspläne, Chargen und Qualitätsergebnisse miteinander verknüpfen.

Der Erfassungspfad bringt jedoch zusätzliche Abhängigkeiten mit sich. Netzwerkausfälle, Serverwartungen, Schnittstellenprobleme und Speicherbegrenzungen können die Datenerfassung unterbrechen. Die Konnektivität auf Feldebene beruht häufig auf Ethernet-Kommunikationsmodulen wie dem Yokogawa-Ethernet-Kommunikationsmodul ALE111-S51, dem Schneider-Ethernet-Kommunikationsmodul 140NOE21100 oder dem Foxboro FBM232. Daher sind deren Konfiguration und Zustand für die Aufzeichnung wichtig.

Gehen Sie nicht davon aus, dass jeder Historian Daten bei einem Ausfall automatisch zwischenspeichert. Prüfen Sie, ob der jeweilige Collector die Zwischenspeicherung unterstützt, wie lange er ausstehende Datensätze speichert und wie er die Wiederherstellung handhabt.

Wie unterscheiden sich die beiden Architekturen?

Dabei handelt es sich um architektonische Tendenzen, nicht um universelle Produktgarantien. Überprüfen Sie das Verhalten der ausgewählten Plattform, bevor Sie einen Entwurf abschließend festlegen.

Wie wählen Sie einen geeigneten Historian aus?

Welche technische Frage müssen die Daten beantworten?

Ermitteln Sie zunächst, welche Entscheidungen durch historische Daten unterstützt werden müssen. Eine Fehleruntersuchung erfordert möglicherweise hochauflösende Datensätze rund um ein kurzes Ereignis. Für die Produktionsanalyse sind unter Umständen eine längere Aufbewahrung und konsistente Daten von mehreren Anlagen erforderlich.

Dokumentieren Sie die erforderlichen Tags, Erfassungsintervalle, Ereignisauslöser, Zeitstempelqualität, Aufbewahrungsdauer und Berichtsanforderungen.

An welchen Stellen des Erfassungspfads können Daten verloren gehen?

Erfassen Sie den Erfassungspfad von jeder Steuerung bis zum jeweiligen Speicherziel. Ermitteln Sie Netzwerk-Switches, Gateways, Erfassungsdienste, Server und weitere Komponenten, die die Aufzeichnung unterbrechen können.

Klären Sie, was bei einem Netzwerkausfall, einem Serverneustart oder einer geplanten Wartung geschieht. Stellen Sie fest, ob Daten lokal zwischengespeichert bleiben und ob das System nach der Wiederherstellung fehlende Zeiträume nachtragen kann.

Wie viel Speicherplatz wird benötigt?

Schätzen Sie den Speicherbedarf anhand der Anzahl der Datenpunkte, der Erfassungshäufigkeit, der Datensatzgröße, des Kompressionsverhaltens und der erforderlichen Aufbewahrungsdauer. Berücksichtigen Sie den betrieblichen Mehraufwand und eine angemessene Kapazitätsreserve.

Bemessen Sie den Speicher nicht allein anhand der Anzahl der Tags. Zwei Systeme mit identischer Tag-Anzahl können unterschiedliche Datenvolumen erzeugen, da sich ihre Erfassungseinstellungen und das Prozessverhalten unterscheiden.

Sind die Zeitstempel konsistent und gut nachvollziehbar?

Historische Analysen sind weniger zuverlässig, wenn zusammengehörige Datensätze uneinheitliche Uhren oder unzureichend verstandene Zeitstempelquellen verwenden. Überprüfen Sie die Zeitsynchronisierung von Steuerungen, Datensammlern und Servern.

Stellen Sie fest, ob Zeitstempel die Erfassung an der Quelle, die Datensammlung oder den Empfang auf dem Server angeben. Diese Unterscheidung ist wichtig, wenn die Reihenfolge zeitlich eng aufeinanderfolgender Ereignisse rekonstruiert wird.

Sind Cybersicherheit und Wiederherstellung abgedeckt?

Überprüfen Sie Authentifizierung, Zugriffskontrollen, Netzwerksegmentierung, Patch-Management, Sicherungsverfahren und Wiederherstellungstests. Ein Historian kann wertvolle Betriebsdaten enthalten und sollte entsprechend geschützt werden.

Testen Sie den tatsächlichen Wiederherstellungsprozess. Eine Sicherung ist nur dann nützlich, wenn die erforderlichen Daten und Konfigurationen innerhalb akzeptabler betrieblicher Grenzen wiederhergestellt werden können.

Wann sollten lokale und zentrale Datenerfassung kombiniert werden?

Manche Anwendungen profitieren von beiden Architekturen. Ein maschinennaher Historian kann detaillierte Datensätze in der Nähe der Anlage aufbewahren, während ein serverbasierter Historian ausgewählte Informationen für werksweite Analysen zusammenführt.

Beispielsweise benötigt eine Produktionslinie, die auf Steuerungen wie dem GE Mark VIe IS400AEBMH3A PLC-Steuerungsmodul basiert, möglicherweise detaillierte Ereignisprotokolle für die Fehlerdiagnose und zentralisierte Chargenverläufe für die Qualitätsprüfung. Lokale Speicherung und zentrale Aggregation können diese Anforderungen gemeinsam erfüllen.

Planen Sie den Übertragungsmechanismus sorgfältig. Legen Sie fest, welche Datensätze in übergeordnete Systeme übertragen werden, wie Zeitstempel erhalten bleiben, wie doppelte Datensätze behandelt werden und was bei einer Kommunikationsunterbrechung geschieht.

Prüfen Sie außerdem, ob lokale und zentrale Systeme denselben Detailgrad aufbewahren. Aggregation oder Komprimierung kann die für spätere Untersuchungen verfügbaren Informationen verändern.

Was sollte eine Checkliste für Inbetriebnahme und Wartung umfassen?

• Überprüfen Sie, ob die erforderlichen Steuerungs-Tags erfasst werden.
• Vergleichen Sie die Werte des Historian mit verlässlichen Quellwerten.
• Bestätigen Sie Erfassungsintervalle und das Verhalten ereignisgesteuerter Erfassung.
• Überprüfen Sie die Zeitsynchronisierung der relevanten Geräte.
• Testen Sie das Verhalten bei Netzwerkunterbrechungen und die Wiederherstellung.
• Prüfen Sie Speicherkapazität, Aufbewahrungsrichtlinien und Archivrotation.
• Überprüfen Sie Zugriffskontrollen, Backups und Wiederherstellungsverfahren.
• Dokumentieren Sie die Erfassungspfade und die Zuständigkeit für jede Komponente.

Dokumentieren Sie die Testergebnisse und Abnahmekriterien. Wiederholen Sie wichtige Prüfungen nach wesentlichen Änderungen an Netzwerk, Steuerung oder Historian-Konfiguration.

Fazit: Historische Daten zu einer zuverlässigen technischen Ressource machen

Wählen Sie einen industriellen Datenhistorian anhand der Daten aus, die Ihr Betrieb aufbewahren muss, und der Entscheidungen, die diese Daten unterstützen sollen. Die lokale Erfassung ist für detaillierte Maschinendiagnosen wertvoll, während eine serverbasierte Erfassung umfassendere Berichte und anlagenübergreifende Analysen ermöglicht. Eine Kombination aus beiden kann ergänzende Vorteile bieten, wenn Datenübertragung, Aufbewahrung und Wiederherstellung sorgfältig geplant werden. Dokumentieren Sie vor der Implementierung die Datenanforderungen, testen Sie das Verhalten bei Ausfällen, überprüfen Sie die Zeitstempelqualität und weisen Sie nach, dass Backups wiederhergestellt werden können. So werden historische Daten zu einer zuverlässigen technischen Ressource.