Dieser Artikel bietet einen Überblick über die Architektur der Messungs- und Steuerungsprozessschleife, über ihre Merkmale und die dazugehörigen Komponenten.
Aufbau
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Eine Messungs- und Steuerungsschleife besteht aus einer einzelnen Geräteabstraktion, die aus Sensoren, Aktuatoren und einem Controller besteht. Diese Schleifen können mit Analyse- und Optimierungsschleifen und mit Überwachungs- und Verwaltungsschleifen integriert werden, die in einem viel größeren Kontext ausgeführt werden.
Merkmale
Eine Messungs- und Steuerungsschleife weist die folgenden Merkmale auf:
- Sie wird in der Nähe des Geräts oder im Gerät eingebettet ausgeführt.
- Sie verfügt über eine Zykluszeit, die vom IoT-Szenario abhängt, die in einer zeitkritischen Netzwerkumgebung einige Millisekunden betragen kann.
- Sie verarbeitet Messungen je nach Sollwertkonfiguration, letzten Sensormessungen und einem kleinen Zeitreihenverlauf der einzelnen Messungen.
- Sie akzeptiert Befehle von Überwachungs- und Verwaltungsschleifen, um die Sollwertkonfiguration anzupassen, sowie imperative Befehle für Steuerungs-Aktuatoren.
- Sie implementiert Aktuator-Befehle zur Verwaltung des Gerätestatus im Rahmen der Sollwertkonfiguration.
- Sie hängt nicht von externen Systemen ab, um für niedrige Zykluszeit und Betriebsautonomie zu sorgen.
- Sie kann Telemetriedaten ausgeben, die von Überwachungssystemen verwendet werden können.
- Für Sensormetriken und Aktuator-Befehle werden Feldbusprotokolle wie Modbus, RS485, EtherCAT und SERCOS verwendet.
- Sie können über IoT Hub-Protokolle wie HTTP, MQTT und AMQP mit Überwachungssystemen wie Überwachungs- und Verwaltungsschleifen integriert werden.
Komponenten
Ein IoT-Gerät besteht aus Sensoren, Aktuatoren und einem Controller. Alle drei Komponenten arbeiten zusammen, um sicherzustellen, dass das Gerät in seiner Umgebung erwartungsgemäß ausgeführt werden kann. Beispiele solcher Geräte sind Windturbinen, Waschmaschinen, Autowaschanlagen und Gastanks. Beispiele für Sollwerte sind Umdrehungen pro Minute für eine Windturbine, sichere Temperaturen und sicherer Druck eines Gastanks und eine sichere Entfernung für das automatische Entsperren einer intelligenten Türverriegelung.
Sensoren messen dauerhaft den aktuellen Status von Geräten und melden diesen an den Controller. Beispiele für solche Messungen sind die Temperatur und der Druck in Gastanks, Temperatur und Luftfeuchtigkeit in Smart Homes oder die Umdrehung pro Minute und die Stromerzeugungsrate einer Windturbine. Die Geschwindigkeit der Stichprobenentnahme eines Sensor hängt von der Funktion eines Geräts ab. Für Geräte mit langsamen Änderungen wie Gastanks ist eine Stichprobenentnahme mit niedriger Frequenz erforderlich, wohingegen Änderungen mit schnellen Änderungen wie Windturbinen eine Stichprobenentnahme mit hoher Frequenz erfordern.
Aktuatoren sind die physischen Komponenten, die sich auf den Gerätestatus auswirken. Beispiele hierfür sind das Einlassventil eines Gastanks, eine Bremse, die den Rotor einer Windturbine abbremst, oder die Verrieglung einer Smart-Home-Haustür, die aktiviert wird, wenn der Eigentümer nicht zu Hause ist. Der Controller steuert die Aktuatoren basierend auf Sensormessungen und externen Faktoren. Einige Geräte, die nur etwas wahrnehmen, haben keine Aktuatoren. Dieser Teil der Schleife ist dann also nicht erforderlich.
Die Steuerungslogik sorgt dafür, dass sich der Gerätestatus innerhalb eines tolerierbaren gewünschten Bereichs bewegt. Der aktuelle Status wird auf Grundlage von Sensormessungen berechnet. Wenn der aktuelle Status vom gewünschten Status abweicht, ergreift der Controller Korrekturmaßnahmen, indem Befehle an die Aktuatoren gesendet werden. Beispiele für Korrekturmaßnahmen sind das Schließen des Ventils eines Gastanks, das Anschalten einer Heizung oder das Auslösen von Bremsen für den Rotor einer Windturbine. Der Controller kann auch Telemetriedaten ausgeben und akzeptiert bei Bedarf externe Befehle von Überwachungs- und Verwaltungsschleifen.
Szenariodetails
Eine IoT-Messungs- und Steuerungsschleife sorgt dafür, dass sich ein IoT-Gerät innerhalb eines tolerierbaren Bereichs einer Sollwertkonfiguration bewegt. Dafür wird ein Steuerungsprozess in Echtzeit mit geschlossener Schleife verwendet. Das Gerät kann Teil eines größeren physischen Systems sein, das von Software gesteuert wird, das eines oder mehrere Netzwerkgeräte umfasst.
Ein IoT-Gerät, das anfällig für von externen Ereignissen ausgehende Störungen ist, erfordert einen Steuerungsprozess mit geschlossener Schleife, damit es sich im Rahmen der gewünschten Sollwertkonfiguration bewegt. Die Steuerungslogik der Messungs- und Steuerungsschleife beobachtet das Gerät über Sensormetriken und wendet Korrekturmaßnahmen über Aktuator-Aktionen an.
Mögliche Anwendungsfälle
Diese Lösung ist ideal für die Branchen Energie und Umwelt. Beispiele für in der Praxis angewendete Messungs- und Steuerungsschleifen:
- Intelligente Mausefalle: Hier wird ein Ereignis zum Schließen der Falle ausgelöst, wenn die Sensoren eine Maus erkennen.
- Rauchmelder: Hier werden Sprinkler ausgelöst, wenn mehrere Sensoren Rauch wahrnehmen.
- Transformator: Hier wird ein Transformator bei einem vorhergesagten schweren Gewitter abgeschaltet.
- Gasleitungsüberwachung: Hier wird ein Ventil geöffnet, um einen Druckverlust auszugleichen.
- Heizungsthermostat: Hier wird die fließende Gasmenge für das Heizgerät erhöht, wenn erkannt wird, dass die Temperatur unter einen Sollwert fällt.
- Windturbine: Hier werden Bremsen ausgelöst, um einen Rotor abzubremsen, wenn ein Warnungsgrenzwert für Umdrehungen pro Minute in Kürze erreicht wird.
- Solarpanelen: Hier wird der Winkel von Solarpanelen entsprechend des Sonnenverlaufs angepasst, um die erzeugte Strommenge zu maximieren.
Beitragende
Dieser Artikel wird von Microsoft gepflegt. Er wurde ursprünglich von folgenden Mitwirkenden geschrieben:
Hauptautor:
- Hanu Kommalapati | Principal Software Engineer
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